【摘要】：隨著電子信息技術(shù)快速發(fā)展,人們對集成電路微型化、信息傳輸效率和信息處理速度都有了很高的要求。但是受電子自身的影響,半導體器件在微型化的過程中,性能上出現(xiàn)了一定的局限,致使能量損耗過大,信息傳輸過慢。為了尋求突破,光信息技術(shù)的研究進入了人類的視野。光子晶體作為一種新型的光學材料,在制成光學器件時,具有高集成、低功耗和高精度等優(yōu)點。本文以二維光子晶體微腔為研究對象,用平面波展開法和時域有限差分法分析光子晶體和光子晶體微腔的帶隙特性、光場分布特性和光局域特性。以此為出發(fā)點,研究了二維光子晶體波導與微腔的耦合特性與控光原理。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合磁光子晶體磁導率隨外加磁場變化而改變的特性以及馬赫-曾德爾干涉儀的光傳輸特性,設(shè)計出了具有濾波功能和光開關(guān)功能的THz濾波器及具有三個邏輯功能的全光邏輯門。具體如下:(1)二維光子晶體微腔與波導控光特性的研究。為了研究光子晶體波導與微腔的控光特性,本文首先分析了晶格結(jié)構(gòu)、填充比和介電常數(shù)對二維光子晶體帶隙的影響。然后,在三角平板空氣孔二維光子晶體的基礎(chǔ)上,設(shè)計出最基本的微腔結(jié)構(gòu),并分析微腔中心空氣孔半徑和介質(zhì)板介電常數(shù)對微腔性能的影響。結(jié)果表明,在介電常數(shù)為11.4,缺陷中心無空氣孔時,微腔的品質(zhì)因子Q為3364,場強最大,微腔性能最好。最后,分析了二維光子晶體波導的控光特性,并在耦合模理論的基礎(chǔ)上,詳細的推導了二維光子晶體波導和微腔的耦合特性及控光原理,為本文后續(xù)濾波器和邏輯門的設(shè)計提供了基礎(chǔ)和前提。(2)二維光子晶體THz濾波器的設(shè)計與性能分析。先對磁性材料磁導率受外界磁場的影響進行了分析,對磁光子晶體在不同磁場大小時的帶隙進行了計算,得出在不同磁場強度時磁光子晶體帶隙的變化規(guī)律。接著,將特定介質(zhì)柱半徑的磁光子晶體引入兩個不同結(jié)構(gòu)的微腔中,設(shè)計出兩個THz濾波器結(jié)構(gòu),分析THz濾波器的濾波特性,并研究耦合介質(zhì)柱半徑對濾波器性能的影響。最后,對兩個THz濾波器結(jié)構(gòu)進行組合設(shè)計,得到一個多通道二維光子晶體THz濾波器。對該濾波器性能進行分析,結(jié)果表明,不加磁場時,濾波器實現(xiàn)波長為83.33um和92.59um電磁波的濾波功能,透射率分別為0.91和0.89,且信道隔離度高,插入損耗小;加磁場時,波長為83.33um和92.59um的電磁波在濾波器輸出端口的透過率僅為0.15和0.14,實現(xiàn)了光開關(guān)功能,且關(guān)斷效果明顯,響應時間短。(3)全光邏輯門的設(shè)計與性能分析。本文分析了馬赫-曾德爾干涉儀的控光特性及傳感原理,并在此基礎(chǔ)上分析了馬赫-曾德爾干涉儀與微環(huán)諧振腔的耦合關(guān)系。利用該原理設(shè)計出了基于二維光子晶體馬赫-增德爾微腔的全光邏輯門。通過調(diào)節(jié)控制端電磁波的輸入,實現(xiàn)不同的邏輯功能。結(jié)果表明,邏輯門可以實現(xiàn)的邏輯功能有:或、同或和異或邏輯,并且各個邏輯門有高的消光比,分別為31.802dB、25.670dB和27.701dB,且邏輯門的響應時間短、尺寸小,響應時間僅為0.151ps。
【圖文】：

圖 1.6 光子晶體壓力傳感器腔在光子晶體激光器中的應用也是近幾年的研究熱點l Laser, PCL)是微型激光器的一種重要構(gòu)成形式，具有一具有結(jié)構(gòu)尺寸靈活且易于集成，這樣的優(yōu)勢條件使得 P速的發(fā)展[33-38]。圖 1.7 為 1999 年美國加州理工學院謝溫室下工作且正常運轉(zhuǎn)的 1550nm 的光子晶體激光器。

(c)波長為 1.503圖 3.16 波導與微腔側(cè)邊耦合時電場穩(wěn)態(tài)分布維光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)、填充比和介電常數(shù)對的基本特性。以基本微腔結(jié)構(gòu)為研究對象，通研究這些參數(shù)對微腔性能的影響。最后完成了模理論的基礎(chǔ)上對二維光子晶體波導和微腔的邏輯門的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。
【學位授予單位】：蘭州交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN713;O734

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