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光子晶体波导特性与光信号保形传输分析

作　者: 张璇
导　师: 田慧平
学　校: 北京邮电大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 光子晶体波导平面波展开法插槽光子晶体波导色散微扰
分类号: TN814
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在光子晶体波导中,导模受到光子晶体的强结构色散,群速度会大幅度降低,形成光子晶体慢光效应。慢光在光延迟器、光缓存器、数据同步及信号处理中有很多潜在的应用。然而,光子晶体波导中不可避免的存在较大的群速度色散,导致不同频率的光以不同的群速度传播,最终会导致脉冲信号展宽,信号形状恶化,致使无法正确的传输信号,从而无法应用到实际的脉冲序列中,严重影响了光子晶体在全光网络中的应用。因此,如何控制降低色散或者抵消色散,保证信号在光子晶体波导中保形传输格外重要。首先,针对常见的正方形和圆形空气孔光子晶体波导通过优化得到三种结构,并分析优化结构的低群速度低色散区域的脉冲波形展宽因子以及最大允许传输的信号比特率。发现正方形平坦区域的群折射率可达210,即群速度小,延迟时间大；其次,在相同传输比特率时,结构优化后的展宽因子比普通波导的展宽因子小,即信号传输过程中保形较好,正方形空气孔能达到的最大传输比特率35Gbit/s。在群速度平坦的区域中色散很小,允许传输的信号比特率高,可以有效的提高网络的带宽,对于全光网络的实现提供重要的理论依据。其次,介绍了插槽光子晶体波导结构的基本概念,通过调整插槽的宽度和空气孔的半径,分析研究了波导的导模特性。利用插槽光子晶体波导与常规光子晶体波导的色散特性不同,设计了一种特殊的光子晶体波导色散补偿器,以达到信号的波形传输的目的。分别计算了传统光子晶体波导与插槽光子晶体波导的导模特性。通过精确的调整波导参数,可以得到两种结构能够在频率相同的地方出现偶导模。仿真得到光在色散补偿器中传输的波形图和场分布图。发现起初光随着传统光子晶体波导色散展宽,然后随着插槽光子晶体波导重新恢复,创新性的实现了信号的保形传输。这些结论和规律对研究光在光子晶体波导中的长距离传输及提高光存储性能提供了新的解决思路。最后,针对实际制作中的微扰对信号传输的不稳定影响,模拟仿真了引入位置、半径微扰时对圆形、方形、椭圆形三种空气孔形状的二维三角晶格光子晶体波导结构透射谱的影响。发现随着微扰的增加,透射谱平坦区域变窄。位置微扰对透射谱的影响比半径微扰严重,因为位置微扰相对半径微扰对于结构周期性的影响较大。对于三种形状的空气孔结构分析,发现正方形空气孔结构对于位置微扰更加稳健,尤其在慢光区域。圆形空气孔结构对于半径微扰更加稳健。这些研究为光子晶体波导的实际制作与未来在光通信中的应用提供了理论依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-16
  1.1 课题研究背景  10
  1.2 课题研究热点及研究意义  10-13
  1.3 主要工作及创新点  13-14
  1.4 论文结构  14-16
第二章光子晶体概述  16-30
  2.1 光子晶体基本概念  16-17
  2.2 光子晶体基本特性  17-22
    2.2.1 光子带隙  17-18
    2.2.2 光子局域  18-19
    2.2.3 慢光效应  19-20
    2.2.4 色散特性  20-22
  2.3 光子晶体仿真方法简介  22-29
    2.3.1 平面波展开法  22-28
    2.3.2 时域有限差分法  28
    2.3.3 其它仿真方法  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章空气孔形状对光子晶体波导色散特性的影响  30-40
  3.1 波导结构及理论模型  30-33
    3.1.1 线缺陷波导结构模型  30-32
    3.1.2 线性脉冲传输模型  32-33
  3.2 空气孔形状对导模及色散的影响  33
  3.3 光子晶体波导优化  33-36
  3.4 光子晶体波导中的线性脉冲展宽研究  36-38
  3.5 本章小节  38-40
第四章插槽光子晶体波导的色散补偿研究  40-50
  4.1 色散补偿理论模型  40-41
  4.2 插槽光子晶体波导结构优化  41-45
    4.2.1 插槽光子晶体波导结构模型  41-42
    4.2.2 结构调整与结构优化  42-44
    4.2.3 优化的插槽光子晶体波导参数分析  44-45
  4.3 插槽光子晶体波导色散补偿  45-48
    4.3.1 光子晶体波导模型  45-46
    4.3.2 导模及色散特性仿真  46-47
    4.3.3 光子晶体波导的波形和场分布  47-48
  4.4 本章小节  48-50
第五章微扰对不同形状的空气孔光子晶体波导影响  50-58
  5.1 光子晶体波导模型  50-51
    5.1.1 理想完美光子晶体波导模型  50-51
    5.1.2 不同形状的空气孔光子晶体波导微扰模型  51
  5.2 完美光子晶体波导带隙特性  51-52
  5.3 光子晶体波导的微扰特性研究  52-56
    5.3.1 圆形空气孔的位置微扰对于光子晶体波导结构透射谱的影响  52-53
    5.3.2 圆形空气孔的半径微扰对于光子晶体波导结构透射谱的影响  53-55
    5.3.3 位置和半径微扰对于不同空气孔形状的光子晶体波导的影响  55-56
  5.4 本章小节  56-58
第六章论文总结  58-60
参考文献  60-66
致谢  66-68
攻读硕士学位期间发表论文情况  68

光子晶体波导特性与光信号保形传输分析

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