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30000字硕士毕业论文耦合谐振腔光波导理论的应用研究

论文类型:硕士毕业论文
论文字数:30000字
论点:光子,波导,耦合
论文概述:

论文背景在信息技术高度发达的现代社会中,集成电路的传输速率和带宽逐渐趋于极限,却仍无法满足人们对信息传输速率和存储容量的要求。近年来微波技术发展迅速,微波导技术中的调制、

论文正文:

第一章导言

       1.1论文背景在信息技术高度发达的现代社会中,集成电路的传输速率和带宽逐渐趋于极限,却仍无法满足人们对信息传输速率和存储容量的要求。近年来微波技术发展迅速,微波导技术中的调制、解调、光信号传输等己日益成熟,使人们把目光投向光子通讯。光纤通讯的兴起与快速发展已经显示了光子通讯的强大威力。但是,受到光子信息技术和光子器件制造水平的制约,光子通讯网络中仍不能摆脱电子线路。因此,制造高性能的集成全光系统是科技发展必然趋势。适应光子学、集成光学及信息技术发展的需要,研究开发具有新的物理效应的全光微结构光子集成元器件成为目前的前沿研究课题,而新型的小尺寸易集成的微腔结构也因此成为人们关注的焦点。光波在微腔中传播借助全内反射可形成高品质因子和非常小模体积的频率分立的回廊模,该回廊模中存在非常窄的共振峰,并且这些峰的波长仅依赖于微腔的大小和折射率。另外,微腔将巨大的电磁场限制在非常小的体积内,从而局部地将场提高几个数量级,这就为非线性、量子光学等现象的形成提供了条件,也为非线性光子学器件发展提供了新的可能性。       将多个微腔共振器通过高Q回廊模易逝场相互藕合在一起,形成一个新的集成光子系统,即祸合谐振腔光波导(CROW。它将具有比单微腔共振器更完善的特性并为高Q回廊模在微光子器件中的应用开拓新的内容。在这个系统中,光子被紧密地限制在单个微腔内,并且只能依靠从一个微腔经易逝场祸合跳到另一微腔来传播。利用此系统可以方便地实现光波的微控制、新型光波导的设计以及具有更平坦的通带和更高的带外信号反射的高级信道下载滤波器的设计,并可能应用于波分复用系统的色散控制。该系统有助于设计更低功率运行的全光开关、储存器等非线性光子学器件。而且,微光学制造技术的发展使实现这种祸合系统的集成以及同其它微米尺寸的器件结合形成光子集成电路成为可能。1.2当前主要应用的各种微腔一个完整的光学信息系统包括信号的产生、传输、处理以及接收等子系统。在研究全光信息系统过程中,人们发现光学微腔结构非常适合承担信号传输这一重任。微腔结构可以方便地实现多种功能,如滤波、祸合、分束以及实现WDM功能等等。       而当今的科研上作中,人们史多的是从结构上来关注微腔所构成的波导。目前广泛使用的微)lJa结构有FP腔f2]、环形腔f3-}]碟形腔f}-}]以及光子晶体缺陷腔}s-to〕等。由于其结构简单,集成度高,功能强大,而且和目前成熟的半导体制造工艺兼容等原因,使微腔结构受到广泛研究。1.2.1碟形腔旱在1912年,Raleigh伯爵就分析了“耳语廓模式”(whisperinggallerymode,简称WGM),当时研究的对象是绕大教堂的圆顶传播的声波模式。此后,“耳语廓模式”这个术语被应用到所有依赖单个曲而传播的波动现象[I1]o1989年,Braginsky等人研究了光学耳语廊模式。这种模式是指依靠单个曲面的全反射向前传播的模式,它存在于介电球或介电圆盘谐振腔结构中,沿内壁依靠全反射向前传播。在柱坐标系下这种微腔结构具有非常高的品质因子,理论预期值高达1011,并且已经得到试验验证〔’“]。利用高Q值的特点,可以将光脉冲长时间停止在一个微结构中,并且强度极高,因此可以实现高效率的非线性过程。这种腔结构和量子点或量子祸合被广泛应用于腔量子电动力学方面的研究。利用该结构实现的大发光面积激光器也具有非常重要的应用[13-14]0图1-1扫描电子显微镜得到的InGaAsP介质微碟形腔激光器结构图参考文献[1]C.  K.  Madsen,J.  H.  Zhao,  OPtieal  Filter  Design  and  Analysis:  A  Signal  ProeessingApproach.,John Wiley&Sons Ine,1999邮炬烽,袁一方,陶伟,侯间伟.用于光纤通信系统的F-P可调谐滤波器.激光与光电子学进展.2005.43(2):5457A. Melloni,R. Costa,P. Monguzzi, Ring-Resonator Filters in SiliconOxynirtideTechology for Dense Wavelength-Division Multiplexing Systems., opt.Lett,2003,28(17):1567-1569S. Shuiehi,H. Yutkaa,K. Yasuo, Precise Conrtol of Wavelength ChannelSpacing of Microring Resonator Add-Drop Filter Array. J. of Lightwave Techno1,2002,20(4):745-750B. E. Little,S. T. Chu,H. A. Haus, Microring Resonator Channel Dropping Filters. J. Lightwave Techno1,1997,15(6):998-1005K. Prkaash,LTejaswi,J. Bahram, Add-Drop Filters Utilizing Vertieally Coupled Microdisk Resonators in Silieon. App. Phys.Lett,2005,86(9):091一102E. Peter,I. Sagnes,G Guirleo, HighQ Whispering Gallery Modes in GaAs/AIO,Mierodisks. App. Phys. Lett,2005,86(2):021103Changhong Li, Huiping Tian, Cui Zheng, Yuefeng Ji, Improved line defect structures for slow light transmission in photonic crystal waveguide, Optics Communications,2007,214-218冯立娟,江海涛,李宏强,张冶文,陈鸿光子晶体祸合谐振腔波导的色散特性,物理学报,2005,54(5)Woo Jun Kim,Wan Kuang and John D. O\'Brien ,Dispersion characteristics 1. 11, No. 25[ 10]丁卫强,光子晶体祸合腔的局域特及应用研究.理学博士学位论文,2006年6月L. Co11ot,VL. Seguin,M. Brune, Very High-Q Whispering-Gallery Mode Resonances Observed on Fused-Silica Microspheres, EuroPhys.Lett, 1993,23(5):327-334J.Verbert,F. Mazen,T. Chavrolin, Effieient Coupling Of Er-Doped Silieon-RichOxide toMierodisk Whispering Gallery Modes. App. Phys.Lett,2005,86 (11):111一117A. B. Matsko,A. A. Savehenko,V S. Ilchenko, Optical Gyroseope With Whispering Gallery Mode Optical Cavities, Opt.Commun, 2005,233:107-112L. Fabry, A.Perot. A Multipass Interferometer. Ann.Chim. Phys, I 899 }  16,1153]们[15]  摘要 4-5 ABSTRACT 5-6 第一章 绪论 11-21     1.1 论文背景 11     1.2 当前主要应用的各种微腔 11-16         1.2.1 碟形腔 12-13         1.2.2 FP腔 13-14         1.2.3 环形腔 14         1.2.4 光子晶体缺陷腔 14-16     1.3 耦合谐振腔光波导 16-19         1.3.1 耦合谐振腔光波导的介绍 16-17         1.3.2 耦合谐振腔光波导的研究现状 17-19         1.3.3 耦合谐振腔仍需解决的问题 19     1.4 本论文的主要工作 19-21 第二章 耦合谐振腔光波导的数值分析方法 21-27     2.1 紧束缚理论 21-23     2.2 传输矩阵法 23-27 第三章 耦合谐振腔光波导的计算及研究 27-49     3.1 引言 27     3.2 CROW的性能参数的计算与研究 27-30         3.2.1 CROW的色散关系 27-28         3.2.2 CROW的群速度、带宽 28-29         3.2.3 CROW的存储容量 29-30     3.3 CROW光谱特性的计算及讨论 30-46         3.3.1 无限长CROW 30-31         3.3.2 由单个微腔构成的CROW 31-37             3.3.2.1 应用传输矩阵法对单微腔CROW进行分析 31-33             3.3.2.2 耦合率对光谱特性的影响 33-35             3.3.2.3 微腔半径对光谱特性的影响 35             3.3.2.4 相邻微腔之间的耦合长度对光谱特性影响 35-37             3.3.2.5 微腔内衰减因子对输出功率的影响 37         3.3.3 由多个微腔构成的CROW 37-45             3.3.3.1 应用传输矩阵法对由多个微腔构成的CROW进行分析 37-38             3.3.3.2 耦合率对光谱特性的影响 38-40             3.3.3.3 微腔半径对光谱特性的影响 40-42             3.3.3.4 微腔个数对光谱特性的影响 42-44             3.3.3.5 有效折射率对光谱特性的影响 44-45         3.3.4 不同半径的微腔耦合 45-46     3.4 本章小结 46-49 第四章 以高色散介质为背景的光子晶体缺陷耦合谐振腔光波导的研究 49-57     4.1 引言 49     4.2 EIT的发现及其物理机制 49-52     4.3 控制域Rabi频率对CROW光学特性的影响 52-55         4.3.1 控制域Rabi频率对CROW群速度影响的研究 52-53         4.3.2 控制域Rabi频率对CROW通带影响的研究 53-54         4.3.3 控制域Rabi频率对CROW存储容量的影响 54-55     4.4 本章小结 55-57 第五章 结论 57-59 参考文献 59-63 致谢 63-64 研究成果及发表的学术论文 64-65 作者及导师简介 65