光子晶体波导的慢光特性及传感研究

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1、摘要慢光被定义为光在介质中传输的群速度小于真空中的光速。慢光能够加强光与物质的相互作用，在非线性光学、光通信、光传感等领域有着很好的应用前景。实现慢光效应的方法很多，其中光子晶体波导（PCW）因具有参数可控性强、与光学系统兼容性高、非线性效应好等优点，成为实现慢光的重要方法。本文针对一维（1D）和二维（2D）光子晶体波导的慢光特性及其传感应用进行了研究。光纤布拉格光栅（FBG）作为一维光子晶体的典型代表，本文在耦合模理论的基础上研究了其传输特性，通过调整光栅结构参数实现并优化了慢光效应，并利用定制的慢光FBG进行了传感研究；利用

2、平面波展开（PWE）和超晶胞理论研究了二维光子晶体慢光波导，在线缺陷光子晶体波导的基础上，通过调整缺陷两侧介质柱的位置对光子晶体波导的慢光特性加以优化，获得了更低的群速度，最后利用优化的光子晶体慢光波导进行了折射率传感研究。全文的主要研究内容如下：1.对于一维光子晶体，分析了均匀光纤布拉格光栅的耦合模理论及慢光产生机理；对于二维光子晶体，分析了其能带结构、缺陷波导中导模的性质，阐释了PCW慢光产生机制；分析了利用FBG和PCW中的慢光效应进行传感的理论依据，证明了群延迟量越大，传感的灵敏度越高。2.通过模拟分析了折射率调制深度、

3、栅区长度、光栅周期对FBG的慢光效应的影响，计算了理论灵敏度数值。研究发现，折射率调制深度和栅区长度越大，FBG最大群延迟量和灵敏度也就越大；光栅周期主要决定了中心波长的位置，对群延迟量影响不大。利用定制的FBG进行了慢光延迟的实验，在1552.56nm波长得到最大的群延迟约273.84ps。之后利用FBG的慢光效应进行了传感实验，在应力变化范围为0~12.8με时，FBG表现出较好的线性度，最小探测应力为0.0145με。3.分析了完美二维正方晶格Si圆柱光子晶体的能带结构，通过调节介质柱半径大小得到了较宽的光子禁带。在线缺陷

4、光子晶体波导的基础上设计了新型的光子晶体慢光波导，通过改变线缺陷通道两侧某些介质柱的位置得到了低至0.00142c的群速度。最后将优化的光子晶体慢光波导用于折射率传感，灵敏度达到2μm/RIU以上，表现出非常高的线性度，可以有效地区分一些气体和液体，为慢光波导在传感领域的应用提供了参考。关键词：慢光效应，光纤布拉格光栅，光子晶体波导，传感IIIABSTRACTSlowlightisdefinedasthelightpropagatinginthemediumwithasmallergroupvelocitythanthatinv

5、acuum.Slowlightcanenhancelight-matterinteraction,whichmakesitagoodprospectinthefieldssuchasnonlinearoptics,opticalcommunication,opticalsensingetc.Thereareplentyofwaystoachieveslowlighteffect.Amongthesemethods,photoniccrystalwaveguide(PCW)withstrongparametercontrollab

6、ility,easyintegrationwithopticalsystemandgoodnonlineareffecthasbecomeanimportantmethodtoachieveslowlight.Thispaperstudiestheslowlightcharacteristicsandsensingapplicationsofone-dimensional(1D)andtwo-dimensional(2D)photoniccrystalwaveguides.Asatypicalrepresentativeof1D

7、-PCW,thetransmissioncharacteristicsoffiberBragggrating(FBG)basedonthecoupledmodetheoryareanalyzed.Theslowlighteffectisachievedandoptimizedbyadjustingthestructureparametersofgrating.AndthesensingresearchisperformedbyusingthecustomizedFBG.The2Dphotoniccrystalslowlightw

8、aveguideisstudiedbasedonplanewaveexpansion(PWE)andsupercelltheory.Slowlightcharacteristicisoptimizedbyadjustingthelocationofdielect