【摘要】：隨著電子信息技術(shù)快速發(fā)展,人們對(duì)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(dǎo)體器件在微型化的過(guò)程中,性能上出現(xiàn)了一定的局限,致使能量損耗過(guò)大,信息傳輸過(guò)慢。為了尋求突破,光信息技術(shù)的研究進(jìn)入了人類的視野。光子晶體作為一種新型的光學(xué)材料,在制成光學(xué)器件時(shí),具有高集成、低功耗和高精度等優(yōu)點(diǎn)。本文以二維光子晶體微腔為研究對(duì)象,用平面波展開法和時(shí)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(chǎng)分布特性和光局域特性。以此為出發(fā)點(diǎn),研究了二維光子晶體波導(dǎo)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(dǎo)率隨外加磁場(chǎng)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(jì)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(gè)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(dǎo)控光特性的研究。為了研究光子晶體波導(dǎo)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(duì)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(jì)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(duì)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(wú)空氣孔時(shí),微腔的品質(zhì)因子Q為3364,場(chǎng)強(qiáng)最大,微腔性能最好。最后,分析了二維光子晶體波導(dǎo)的控光特性,并在耦合模理論的基礎(chǔ)上,詳細(xì)的推導(dǎo)了二維光子晶體波導(dǎo)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(jì)提供了基礎(chǔ)和前提。(2)二維光子晶體THz濾波器的設(shè)計(jì)與性能分析。先對(duì)磁性材料磁導(dǎo)率受外界磁場(chǎng)的影響進(jìn)行了分析,對(duì)磁光子晶體在不同磁場(chǎng)大小時(shí)的帶隙進(jìn)行了計(jì)算,得出在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)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(gè)不同結(jié)構(gòu)的微腔中,設(shè)計(jì)出兩個(gè)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(duì)濾波器性能的影響。最后,對(duì)兩個(gè)THz濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合設(shè)計(jì),得到一個(gè)多通道二維光子晶體THz濾波器。對(duì)該濾波器性能進(jìn)行分析,結(jié)果表明,不加磁場(chǎng)時(shí),濾波器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(chǎng)時(shí),波長(zhǎng)為83.33um和92.59um的電磁波在濾波器輸出端口的透過(guò)率僅為0.15和0.14,實(shí)現(xiàn)了光開關(guān)功能,且關(guān)斷效果明顯,響應(yīng)時(shí)間短。(3)全光邏輯門的設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)調(diào)節(jié)控制端電磁波的輸入,實(shí)現(xiàn)不同的邏輯功能。結(jié)果表明,邏輯門可以實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有:或、同或和異或邏輯,并且各個(gè)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(yīng)時(shí)間短、尺寸小,響應(yīng)時(shí)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(yīng)用也是近幾年的研究熱點(diǎn)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(shì)條件使得 P速的發(fā)展[33-38]。圖 1.7 為 1999 年美國(guó)加州理工學(xué)院謝溫室下工作且正常運(yùn)轉(zhuǎn)的 1550nm 的光子晶體激光器。

(c)波長(zhǎng)為 1.503圖 3.16 波導(dǎo)與微腔側(cè)邊耦合時(shí)電場(chǎng)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(duì)的基本特性。以基本微腔結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通研究這些參數(shù)對(duì)微腔性能的影響。最后完成了模理論的基礎(chǔ)上對(duì)二維光子晶體波導(dǎo)和微腔的邏輯門的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN713;O734

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