發(fā)布時(shí)間：2020-06-12 07:34

【摘要】：隨著一系列新型技術(shù)的發(fā)展,例如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),人工智能,云計(jì)算,大數(shù)據(jù),量子通信等,人類社會(huì)又迎來了一次新的信息技術(shù)革命,新型的通信系統(tǒng)(例如5G系統(tǒng))追求更高的用戶體驗(yàn)速率,更大帶寬,以及更低的能耗成本等,在此情況下,曾經(jīng)極大改變?nèi)祟惿鐣?huì)的電子技術(shù)與集成電路的發(fā)展遇到瓶頸,人們急需探索一種新的技術(shù)來滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要,因此,人們提出利用光子集成電路技術(shù)來替代電子集成電路實(shí)現(xiàn)信息的傳輸、處理和存儲(chǔ)。隨著納米技術(shù)和硅加工技術(shù)的成熟,基于硅基材料的光子晶體成為實(shí)現(xiàn)光子集成電路的一種理想材料。各種不同功能的光子晶體光器件不斷地被論證和提出,其中,一維光子晶體納米束微腔結(jié)構(gòu)具有超高的Q值,超低的模式體積,超緊湊的尺寸,可復(fù)用,可集成度高以及它本身固有的優(yōu)勢易于與波導(dǎo)耦合,在增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用方面有很大的優(yōu)勢。而且相比于二維光子晶體平板,一維光子晶體納米束微腔結(jié)構(gòu)尺寸更小,制造更簡單,在集成復(fù)用上也有更大的優(yōu)勢,從而吸引了越來越多研究者的興趣。本文主要以一維光子晶體納米束微腔為研究對(duì)象,以探討一維光子晶體納米束微腔的控光特性為研究手段,重點(diǎn)針對(duì)目前一維光子晶體納米束微腔自由光譜范圍(FSR)過窄不利于超緊湊的集成復(fù)用的問題,利用三維時(shí)域有限差分法,研究提出了一種提升一維光子晶體納米束微腔性能參數(shù)(包括Q值以及自由光譜范圍FSR)的新方法,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了具有超大自由光譜范圍的一維光子晶體納米束微腔在片上集成的密集傳感復(fù)用和密集波分復(fù)用方面的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用,具體包括以下內(nèi)容:1)具有超大自由光譜范圍的一維光子晶體納米束微腔設(shè)計(jì)和性能分析。詳細(xì)研究了提高其Q值和自由光譜范圍的新方法,利用三維時(shí)域有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究結(jié)果表明該一維光子晶體納米束微腔的Q值超過105,自由光譜范圍最大可達(dá)197nm,與目前同類型的一維光子晶體納米束微腔相比,FSR提高了一個(gè)數(shù)量級(jí),并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單靈活,為后續(xù)實(shí)現(xiàn)超緊湊的片上集成的密集傳感復(fù)用和密集波分復(fù)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2)超緊湊型光功率分束器和傳感器陣列結(jié)構(gòu)的研究和性能分析。利用三維時(shí)域有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的光功率分束器的超額損失EL=1.38dB,功率均勻度UNIF=0.62dB,與目前已知的光功率分束器相比,性能相當(dāng),但是結(jié)構(gòu)更加簡單靈活,尺寸僅為15um*40um*0.22um。在此基礎(chǔ)上,研究設(shè)計(jì)了基于一維光子晶體納米束微腔的傳感器陣列結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的折射率靈敏度分別為 S]=170.6nm/RIU,S2=152.7nm/RIU,S3=138.5nm/RIU,S4=128.1nm/RIU,S5=120.5nm/RIU,整個(gè)結(jié)構(gòu)的尺寸僅為 7um*65um,與目前基于二維光子晶體平板的傳感器陣列結(jié)構(gòu)相比,尺寸降低了三個(gè)數(shù)量級(jí),而折射率靈敏度和Q值沒有任何影響,因此,該研究將為未來片上集成的傳感復(fù)用領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供有力的參考依據(jù)。3)基于一維光子晶體納米束微腔的密集波分解復(fù)用器的研究和性能分析。利用三維時(shí)域有限差分法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的平均信道間隔為115GHz(～0.7nm),單個(gè)解復(fù)用通道的尺寸為22.5um2,與基于二維光子晶體微腔的波分解復(fù)用器件相比,尺寸降低了 5倍,信道間隔降低了 2倍,并且通過提高微腔的Q值從根本上抑制了信道串?dāng)_。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步從理論上研究分析,最終實(shí)現(xiàn)了 100通道的密集波分解復(fù)用功能,平均信道間隔為100GHz,這為未來一維光子晶體納米束微腔結(jié)構(gòu)在密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的研究和應(yīng)用提供有力的參考依據(jù)。
【圖文】：

制光子的目的。根據(jù)空間中不同折射率材料“周期性”的不同，光子晶體可以分逡逑為一維光子晶體（１邋Ｄ－ＰｈＣ邋）、二維光子晶體（２Ｄ－ＰｈＣ）和三維光子晶體（３邋Ｄ－ＰｈＣ），逡逑其結(jié)構(gòu)模型圖如圖１－１所示。逡逑１－Ｄ邐２－Ｄ邐３－Ｄ逡逑ｎ邋：、：：邋ｆ逡逑圖１－１邋一}庾泳�、二维光子晶体与三维光子晶体结构模型示茵偧辶x希保玻插濉庾泳迥擅資⑶壞難芯肯腫醇耙庖邋義顯詮サ募甘曛�，，光子晶体惦y芯咳〉昧舜罅康某曬�，发展势头一州吇减，辶x銜蘼凼搶礪堊芯炕故鞘笛橛τ枚嘉誦硇磯嘍嘌芯空叩難芯啃巳�。各种各样具辶x希插義

本文編號(hào)：2709208