基于光子晶体波导光开关的研究

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1、摘要光子晶体的概念最早来源于Yablonovitch和John在1987年提出的理论，它是一种具有周期性介电常数的材料结构。随着现代科技的发展和通信领域的要求，光子晶体技术已经在光子学、光电子学、材料学和物理学等诸多领域取得了令人瞩目的进展。纵观光子晶体在二十年的发展，许多基于光子晶体的结构和器件都被提出：如光子晶体光纤、光子晶体激光器和发光二极管，光子晶体滤波器、耦合器、分束器和环形器等。他们当中许多还处于试验阶段，而有些已经有了商用化的产品。本课题着力于光子晶体波导的光开关的研究，基于二维光子晶体波导我们提出一种新型的光开关结构。该结构的特点在于巧妙的利用了三角晶格的几何机构

2、，设计出具有具有三条通道的光开关，其中两条通道为信号光通道，一条为控制光通道。由于瞬态的非线性Kerr效应，信号光可以在控制光的作用下处于开或关的状态。我们随后通过数值仿真方法，证明了这一光子晶体结构所具有的开关现象。在数值模拟方面我们对比了光子晶体中常见的几种数值模拟方法特点，选择基于有限时域差分法的程序来完成我们的模拟。在研究中我们对比了不同介电常数对光子晶体带隙的影响，并考虑到目前制造工艺的水平，在我们的设计过程中确定了基于硅基的光子晶体设计；在设计中我们考虑不同介质柱半径所对应不同占空比对带隙的影响，确定以最大的相对带隙宽度作为介质柱半径选取的依据。理论分析和数值模拟都都

3、说明了该结构所具有的开光效应。在接下来的工作中我们对其特性进行分析提出了改进的方法，该结构能在将来的光子集成领域起到一定的作用。由于光子晶体器件具有小巧的结构我们相信在今后基于光子晶体的器件一定能取得广泛的应用。关键词：光子晶体光开关有限时域差分法三角晶格结构Kerr效应IAbstractTheconceptionofphotoniccrystalhasbeenraisedfromtheearlyideasbyYablonovitchandJohnin1987.Withthedevelopmentofmodernscienceandtechnologyandtherequirem

4、entofcommunication,photoniccrystalshaveachievedsignificantprogressinphotonics,optoelectronics,materialscienceandphysics.Sincethepasttwentyyears,somebasicstructureanddevicesbasedonphotoniccrystalssuchasphotoniccrystalfiber,photoniccrystallaser,photoniccrystalLED,photoniccrystalfilters,couplers

5、,splittersandcirculatorshavebeenreportedandsomeofthemhavebeencommercialized.Inthisarticlewefocusourinterestonopticalswitchingdesign,whichisbasedontwodimensionphotoniccrystalwaveguide.Thestructureistriangularlatticegeometrybasedandthereforeweartfullyintroducedthreepassagesinthestructure,twooft

6、hemforsignalsandoneforcontrollight.ThesignalcanbeswitchedonandoffbycontrollightswiththeinstantaneousKerrnonlinearity.Wedemonstratetheswitchingactionthroughnumericalexperiments.Havingcomparedthemethodintroducedinphotoniccrystalsimulation,wechoosetheprogrambasedonfinitedifferencetimedomainmetho

7、dtostartourresearch.Wecarefullyexaminetherelationshipbetweendielectricconstantandphotonicbandgap,takingfabricationtechnologyintoconsiderationourstructureisbaseonsilicon.Andinthedesignwechangetheradiusofdielectricrodsandchoosetheoptimizedparam