光子晶体光开关关键技术研究

1、上海交通大学 硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 姓名：曲扬 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波 指导教师：姜淳 20080130 上海交通大学硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 2 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，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。 学位论文作者签名：曲扬 日期： 2008 年 1 月 30 日 上海交通大学硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 3 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书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，同 意学校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。本人授权上海交通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

2、保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 曲扬 指导教师签名：姜淳 日期：2008 年 1 月 30 日 日期：2008 年 1 月 30 日 上海交通大学硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 4 光子晶体光开关关键技术研究 摘 要 光子晶体器件利用带隙约束导光机制，具有传统器件所没有的特性，并且器件 尺寸很小，是未来集成光路元件的理想选择。因此，它们在过去的二十年中得到了 广泛的研究。本文对基于光子晶体的新型光器件光子晶体耦合光开关的一些关 键技术进行了研究，主要包括：设计了三种不同的光子晶体耦合开关结构，利用平 面波展开法（PWE）以及有限差分时域法（FDTD）进行了仿真，并对这些耦合开关的 结构和性能进行了分析，从而为光子晶体光开关矩阵的深入研究打下了基础。 在绪论中，主要对本课题所涉及的理论基础和研究背景进行了综述。首先介绍 了光子晶体的理论基础，以及为了对光子晶体器件进行研究和计算所需的数值模型， 包括 PWE 和 FDTD；然后对光子晶体波导的耦合特性进行了分析，为后面

3、几章中设计 光子晶体耦合开关结构提供了理论依据；最后对慢光的概念和研究进展进行了介绍。 在上述的基础上，论文的第二章提出了一种新型的低串扰短耦合长度耦合器结 构，这种结构可以克服目前已报道的光子晶体耦合结构具有高串扰和长耦合长度的 缺点。该结构采用的是一种级连结构，即一段具有低串扰长耦合长度的前端波导、 一段具有高串扰短耦合长度的耦合波导以及一段具有低串扰长耦合长度的后端波 导。这一结构在具有很短的总耦合长度的同时还可以获得很低的串扰。利用 PWE 以 及 FDTD 对该结构进行了仿真。通过仿真，获得了较低的串扰，以及较短的总耦合长 度。在 2 乘 2 方向耦合器的基础上，还设计了一种 4 乘 4 的光子晶体耦合开关矩阵， 以实现信号在多条传输路径之间的转换，通过数值实验验证了所设计器件良好的传 输性能。 论文的第三章对信号在光子晶体耦合结构中传输的动态控制进行了研究。现有 的电控方法是在光子晶体材料中灌入液晶，然后通过改变所加电场的方向来改变耦 合状态，从而实现动态开关控制。然而，这种电控的方法不能很好地满足光通信系 统对于信号高速传输的要求，而且它需要有很多外加的辅助器件来实现。一

4、种更为 有潜力的方法是利用光控来改变信号光的传输方向。根据最近的研究成果，群速度 很慢的光，即慢光，是一种可以应用在光子晶体方向性耦合开关中的理想的控制光。 这种光可以增大由折射率的微变所造成的相移，从而改变光子晶体材料的折射特性。 上海交通大学硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 5 在一些相关研究成果的基础上，本章提出了一种 2 乘 2 方向耦合开关设计，这一设 计可以利用慢群速度控制光来实现对传输信号传输状态的动态控制。通过 FDTD 数值 实验结果表明，可以通过光控光的简单方式来实现对信号光传输的动态控制。 论文的最后部分对动态光子晶体耦合开关结构进行了进一步探讨。由于利用谐 振腔来实现耦合的光子晶体耦合器件是一种能很好地实现动态开关的结构，因此本 章给出了一种谐振腔耦合开关的设计，并且通过加入控制光来改变这种器件的关键 部分谐振腔的参数，从而简便地改变器件的光特性，实现对信号光的动态控制。 利用 FDTD 仿真表明，可以成功地实现信号的动态开关，说明了这种结构作为动态开 关矩阵的可能性。 本论文的研究主要针对基于光子晶体这种新型材料的各种新型耦合开关器件展 开，即对平面光

5、子晶体光开关进行设计和分析。所提出的几种结构均有不同的创新 点，为后续的研究打下了基础。这些研究结果对于高密度集成光子器件的研究和发 展具有重要意义。 关键词：光子晶体，耦合开关，串扰，控制光 上海交通大学硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 6 RESEARCH OF KEY TECHNOLOGY OF PHOTONIC CRYSTAL OPTICAL SWITCH ABSTRACT Devices based on photonic crystal follows photonic band gap guiding mechanisms. They are ideal choices for future integrated optical circuit components, with many advantages which traditional devices dont have, and also very small sizes. Therefore, they have attracted a lot of attention of researchers

6、and have been studied intensively and extensively during the past decade. This thesis studied some key technologies of photonic crystal coupling switches, a new kind of optical device based on photonic crystal, proposed three different designs of photonic crystal coupling structures, performed simulation for these structures using Plane Wave Expansion (PWE) method and Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method, and analyzed the structures and performance of these coupling switches, thus buildin

7、g a good foundation for further research on photonic crystal coupling switches. In the chapter of introduction, the main theoretic foundations and research background of this thesis are reviewed. First the basic concepts of photonic crystal are introduced. Then the theoretic foundations and the mathematic models for carrying out research and calculation of photonic crystal, including PWE and FDTD, are introduced. Based on these, the coupling features of photonic crystal waveguides are studied, w

8、hich are the theoretic bases for the designs of photonic crystal coupling structures later on. Last, the concept of slow light is introduced, and research updates are presented. Based on the theories mentioned above, the second chapter proposed a novel design of coupling structure with low crosstalk and very short coupling length, which resolves the trade off between high crosstalk and short coupling length in traditional photonic crystal coupling structures. This structure employs a hetero stru

9、cture, combining a front 上海交通大学硕士学位论文 光子晶体光开关关键技术研究 7 waveguide with low crosstalk but long coupling length, a coupling waveguide with high crosstalk but very short coupling length and an end waveguide with low crosstalk but long coupling length. The structure can achieve quite short total coupling length and very low crosstalk at the same time. Simulation is performed using PWE and FDTD on the novel structure. After simulation, a lower crosstalk is obtained, and a very short total coupling length is also achieved. Based on the novel 22 directional coupler design, a structure of 44 photonic crystal coupler is proposed, in order to realize signal transfer between multiple transmission paths. Excellent transmission performance is obtained by numerical experiment verification. The third chapter studies dynamic control on signals transmitted in photonic crystal coupling s

《光子晶体光开关关键技术研究》由会员E****分享，可在线阅读，更多相关《光子晶体光开关关键技术研究》请在金锄头文库上搜索。