1、本論文主要對(duì)周期性介質(zhì)結(jié)構(gòu)中寬帶無(wú)色散慢光的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了三種不同類型的慢光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了室溫下低群速度低色散的寬帶慢光傳播。本研究工作對(duì)于推動(dòng)以慢光為基礎(chǔ)的集成光子器件的發(fā)展具有重要意義。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下： 第一章為緒論，主要對(duì)本論文所涉及的理論基礎(chǔ)和研究背景進(jìn)行了綜述。首先介紹了慢光技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，及一些與慢光相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。其次，對(duì)幾種比較典型的實(shí)現(xiàn)慢光的機(jī)理，如：電磁感應(yīng)透明技術(shù)（EIT）、相干

2、布居振蕩（CPO）、諧振耦合技術(shù)（CRS）進(jìn)行了分析與比較。最后，介紹了慢光波導(dǎo)的研究進(jìn)展，為我們后文的研究及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 論文的第二章設(shè)計(jì)了一種基于六角形晶格的二維光子晶體線缺陷波導(dǎo)，在結(jié)構(gòu)上作了一定的創(chuàng)新。在線缺陷中，引入了一排橢圓型的空氣孔，同時(shí)，通過(guò)改變與線缺陷相鄰的外圍圓型空氣孔半徑來(lái)調(diào)整波導(dǎo)的傳輸性能。通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧與線缺陷相鄰的空氣孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到了波導(dǎo)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。此時(shí)，波導(dǎo)的群速度最小，約為0.0018c

3、，同時(shí)群速度色散（GVD）也達(dá)到最小，低于10 5(a/2 π c 2)數(shù)量級(jí)，大大降低了傳輸過(guò)程中信號(hào)產(chǎn)生的失真。接著，從色散曲線、品質(zhì)因數(shù)Q、有限差分（FDTD）仿真三方面對(duì)此波導(dǎo)的特性進(jìn)行研究。色散曲線的拐點(diǎn)從理論上證明了此波導(dǎo)的群速度和GVD 同時(shí)達(dá)到零，10 5數(shù)量級(jí)的高品質(zhì)因數(shù)說(shuō)明光脈沖在此波導(dǎo)中駐留的時(shí)間很長(zhǎng)，時(shí)域的場(chǎng)強(qiáng)分布圖再一次證明無(wú)論從縱向還是橫向來(lái)看，光信號(hào)都被很好的限制在波導(dǎo)中央，無(wú)色散地以極慢的光速傳播。

4、 論文的第三章考慮了帶寬的影響，設(shè)計(jì)了另一類結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化的慢光波導(dǎo)，可以獲得更大的延遲帶寬積（DBP）。此類波導(dǎo)放棄了傳統(tǒng)的二維光子晶體線缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以更為簡(jiǎn)潔的空氣孔陣列直波導(dǎo)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了兩種新穎的空氣孔結(jié)構(gòu)。一種采用橢圓型空氣孔，另一種采用兩個(gè)半橢圓交疊而成的沙漏型空氣孔。本章分別從能帶結(jié)構(gòu)和FDTD 仿真兩方面分析了這兩種新型的空氣孔陣列直波導(dǎo)。對(duì)于橢圓型波導(dǎo)，得到其平均群指數(shù)g n％為418，DBP達(dá)到0.166 。而對(duì)于

5、沙漏型波導(dǎo)，其平均群指數(shù)g n％為87.7，DBP達(dá)到0.186 。經(jīng)過(guò)與前人的研究成果進(jìn)行比較，結(jié)果證實(shí)此波導(dǎo)的設(shè)計(jì)不僅結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，而且在DBP上也有不小的提高，進(jìn)一步論證了這兩種新型波導(dǎo)的優(yōu)越性。 論文的第四章突破了群速度與帶寬之間的固有限制，設(shè)計(jì)了一種新型的基于光子晶體線缺陷波導(dǎo)的級(jí)聯(lián)型諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，數(shù)值仿真實(shí)現(xiàn)了超大帶寬的慢光傳輸。 本章首先考察了一種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的單一諧振腔波導(dǎo)。通過(guò)對(duì)其能帶的計(jì)算與分析，得

6、到了一條極其平坦的色散曲線，滿足群速度和GVD 都同時(shí)接近于零。接著，將四種具有不同共振頻率的諧振腔組合在一起，設(shè)計(jì)了一種級(jí)聯(lián)型的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。此波導(dǎo)可以得到四條十分接近且平坦的能帶，其最大和最小能帶之間的差近似等效為一無(wú)色散超慢光模的帶寬。平均群指數(shù) ng為833，相對(duì)頻率帶寬d ω /ω等于2.22 × 10 -2，相當(dāng)于4.3THz 。FDTD的仿真結(jié)果也很好地證實(shí)了這一波導(dǎo)的慢光特性。此類波導(dǎo)還可以進(jìn)行拓展，通過(guò)增加級(jí)聯(lián)的諧振腔數(shù)量

7、，同時(shí)減小相鄰諧振腔之間的頻率間隔來(lái)實(shí)現(xiàn)一近似連續(xù)的具有超大帶寬的慢光模式。這對(duì)于傳統(tǒng)的群速度與帶寬的限制來(lái)說(shuō)，是一個(gè)極大的突破。 論文的第五章考慮到波導(dǎo)實(shí)際的制備工藝，在上一章級(jí)聯(lián)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)思路下，采用基于空氣孔排布的六角形晶格結(jié)構(gòu)。本章首先研究一種比較普遍的基于實(shí)芯線缺陷波導(dǎo)的諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)中心的線缺陷采用與背景相同的介質(zhì)材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)諧振腔內(nèi)空氣孔半徑發(fā)生改變時(shí)，所產(chǎn)生的能帶平移量非常小，這對(duì)于寬帶的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)

8、不夠的。為了解決這一問(wèn)題，本章接著引入了空氣芯線缺陷，通過(guò)降低波導(dǎo)中心的介電常數(shù)，使光脈沖更容易耦合到兩邊的諧振腔內(nèi)，從而可以得到較大的頻率偏移。本章接著提出一種對(duì)稱型的雙諧振腔波導(dǎo)，通過(guò)對(duì)其色散曲線和場(chǎng)強(qiáng)分布的研究，發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)確實(shí)可以產(chǎn)生兩條平坦且相近的能帶。于是，最后本章提出了改進(jìn)的基于空氣芯線缺陷的級(jí)聯(lián)型諧振腔波導(dǎo)，在相鄰的四個(gè)諧振腔內(nèi)依次引入四種不同的空氣孔半徑，從色散曲線上來(lái)看，可以得到四條異常平坦的能帶，相對(duì)頻率帶寬d ω

9、 /ω也可以達(dá)到2.02 × 10 -2 。相對(duì)應(yīng)的靜態(tài)場(chǎng)分布也很好地證實(shí)了這一設(shè)計(jì)思路，與諧振腔頻率相同的信號(hào)分量均耦合入相應(yīng)的諧振腔內(nèi)。 論文的第六章對(duì)第五章提出的基于空氣芯線缺陷的級(jí)聯(lián)諧振腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，將波導(dǎo)中心的空氣芯線缺陷用SiO2 線缺陷來(lái)代替，數(shù)值實(shí)現(xiàn)同樣的超寬帶慢光傳輸?shù)耐瑫r(shí)，避免了制備時(shí)在第三維度上的耗散。與上兩章的分析過(guò)程類似，本章首先研究了單一的諧振腔波導(dǎo)。通過(guò)對(duì)其能帶的計(jì)算與分析，得到了一條

10、異常平坦的色散曲線。同時(shí)，通過(guò)考察諧振腔內(nèi)空氣孔的不同半徑對(duì)色散曲線的影響，發(fā)現(xiàn)能帶的平移量滿足設(shè)計(jì)中對(duì)超寬帶的要求。接著，本章提出改進(jìn)的基于SiO2線缺陷的級(jí)聯(lián)型諧振腔波導(dǎo)，在相鄰的四個(gè)諧振腔內(nèi)依次引入四種不同的空氣孔半徑，并從色散曲線、場(chǎng)強(qiáng)分布和FDTD 仿真三方面分析了這種新型波導(dǎo)的性能。其色散曲線和對(duì)應(yīng)的靜態(tài)場(chǎng)分布很好地證實(shí)了這一設(shè)計(jì)思路，與諧振腔頻率相同的信號(hào)分量均耦合入相應(yīng)的諧振腔內(nèi)。通過(guò)計(jì)算，得到此波導(dǎo)的平均群指數(shù)g n％

11、為909，平均GVD 參數(shù)D 約為4.1(ps/(nm ·mm))，相對(duì)頻率帶寬d ω /ω等于2.02 × 10 -2，相當(dāng)于有效帶寬為3.9THz 。FDTD 仿真結(jié)果都很好地證實(shí)了這一理論分析。 論文的第七章提出了對(duì)波導(dǎo)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。通過(guò)引入遺傳算法，同時(shí)嵌入能帶計(jì)算的平面波展開(kāi)法，設(shè)計(jì)了一種對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最小群速度的優(yōu)化算法。此優(yōu)化算法的基本原理是：首先，設(shè)定待優(yōu)化的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)為特定基因組，通