光子晶体波导宽带慢光及传播损耗特性研究.pdf

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1、分类号学号D201177672密级学校代码10487博士学位论文光子晶体波导宽带慢光及传播损耗特性研究学位申请人：唐剑学科专业：光学工程指导教师：王涛教授答辩日期：2014.8.23 ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringWidebandslowlightandpropagationlossinphotoniccrystalwaveguidesPh.D.CandidateMajor::::Ta

2、ngJianOpticalEngineeringProf.WangTaoSupervisorCo-SupervisorHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaAugust,2014 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作

3、者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在不保密□。年解密后适用本授权书。本论文属于（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 华中科技大学博士学位论文摘要光器件的集成化和宽带化是未来光网络发展的必然趋势。其中，光缓存和全光信号处理是实现全光

4、网络的关键技术。慢光以其具有极低的群速度，被认为是实现光缓存和时域光学信号处理非常有前景的解决方案。同时，慢光能够空间压缩器件中的光能量，从而提高各类线性、非线性光学效应。目前，慢光的实现技术主要包括电磁诱导透明、相干布局振荡、受激布里渊散射、光子晶体波导、耦合谐振光波导、表面等离子激元波导等。其中，光子晶体波导不仅体积小、易于实现高密度集成，而且可以在室温下工作，并且能够实现较大的带宽和较低的色散，与其他实现慢光的方法相比具有很大的优势。本论文从光子晶体的基本概念出发，介绍了光子晶体波导的电磁理论基础与数值模拟方法，然后具体给出了几类光子晶体波导的理论设计，并

5、分析了各类波导的慢光特性。最后对光子晶体波导中的传播损耗特性进行了较为深入的分析。全文的研究内容如下：(1)提出了两类晶格移动型的宽带慢光光子晶体波导。我们采用平面波展开法对两类光子晶体波导进行了能带计算并分析了其色散特性。第一类是超晶格在沿波导方向为两个晶格周期的结构，通过有选择性地调节靠近线缺陷的各排空气孔的偏移量，我们得到了六种优化的慢光波导。当群折射率的波动范围限制在10%范围内，我们实现了平均群折射率分别为31，44，61，71，94和132，在1550nm中心波长处对应的带宽分别为19.1nm，13.0nm，9.0nm，7.5nm，5.5nm和3.6

6、nm的宽带慢光。六种优化慢光波导的群折射率带宽积均保持在0.3以上。第二类是超晶格在沿波导方向为三个晶格周期的结构，同样是通过调节各排空气孔的偏移量，我们得到了五种优化的慢光波导，实现了平均群折射率为24，33，46，57和66，在1550nm中心波长处对应的带宽分别为24.2nm,17.6nm,12.8nm,10.1nm和8.6nm的宽带慢光，其群折射率带宽积基本保持在0.37左右。我们使用了时域有限差分方法对几种优化的波导结构进行仿真。时域仿真的结果与平面波展开法得到的结果非常吻合，时域上极小的脉冲展宽也证实了慢光波导的低色散特性。I 华中科技大学博士学位论

7、文(2)基于椭圆形空气孔的光子晶体结构，我们提出了两类不同的宽带慢光光子晶体波导。第一类是超晶格在沿波导方向为一周期的结构，通过调节第一排椭圆孔的方位角第三排椭圆孔的偏移量，我们得到了四种优化的慢光波导，实现了平均群折射率分别为46,63,78和100时，在1550nm中心波长处对应的带宽分别为13.5nm,9.4nm,7.8nm和6.1nm的宽带慢光。四种优化慢光波导的群折射率带宽积均保持在0.39左右。第二类是超晶格在沿波导方向有两个晶格周期的结构，通过有选择性调节某些处于第一排的椭圆孔的排列方式和位置，我们得到了三种优化的慢光波导，实现了平均群折射率为54

8、,69和80，在1550