燕山大學(xué)里仁學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告PPT(基于光子晶體光學(xué)特性的光開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì))

1、2014-3-25基于光子晶體光學(xué)特性的光開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于光子晶體光學(xué)特性的光開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生：學(xué)生： 導(dǎo)師：導(dǎo)師： 班級(jí)：儀表班級(jí)：儀表10-210-2報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容 相比其他形式的光開關(guān)，光子晶體光開關(guān)作為新型的光開關(guān)器件，在光波在開和關(guān)兩個(gè)狀態(tài)下的透射率相差級(jí)別、工作窗口的可控性、響應(yīng)時(shí)間、能量損耗、安全性等方面具有非常大的優(yōu)勢(shì) 。近年來(lái)，由于3G 建設(shè)、寬帶提速、行業(yè)信息化的拉動(dòng)，光網(wǎng)絡(luò)正在快速發(fā)展 ，但是目前的光開關(guān)在通信領(lǐng)域已經(jīng)不能滿足人們的需求。陸地海上課題研究的背景和意義課題研究的背景和意義 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1）國(guó)外研究動(dòng)態(tài)）國(guó)外研究動(dòng)態(tài)（1）奧地利維也納理工

2、大學(xué)）奧地利維也納理工大學(xué)科學(xué)家只用一個(gè)銣原子，科學(xué)家只用一個(gè)銣原子，實(shí)現(xiàn)了光在兩根玻璃纖維實(shí)現(xiàn)了光在兩根玻璃纖維光纜之間的開關(guān)互換。光纜之間的開關(guān)互換。（2）荷蘭特溫特大學(xué)和法國(guó)）荷蘭特溫特大學(xué)和法國(guó)納米科學(xué)與低溫工程研究納米科學(xué)與低溫工程研究所的科學(xué)家開發(fā)出了一種所的科學(xué)家開發(fā)出了一種半導(dǎo)體平面微腔開關(guān)，實(shí)半導(dǎo)體平面微腔開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)了1.4 THz的重復(fù)率開啟的重復(fù)率開啟和關(guān)閉操作，速率提高了和關(guān)閉操作，速率提高了350倍。倍。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀（3）中國(guó)科學(xué)院物張道中和李志遠(yuǎn)研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)2011年提出了雙路波導(dǎo)雙共振腔的方案，通過(guò)控制微腔的共振頻率和

3、泵浦光的功率，可實(shí)現(xiàn)各種全光邏輯門器件。(2)北京大學(xué)龔旗煌教授、胡小永副教授和他們學(xué)生在可見(jiàn)-近紅外波段實(shí)現(xiàn)微納集成全光開關(guān)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在光通訊波段實(shí)現(xiàn)了低功率、超快速光子晶體全光開關(guān)原型器件。 研究的基本內(nèi)容研究的基本內(nèi)容n光子晶體是由兩種或者兩種以上的具有不同介電函數(shù)的材料在空間周期性排列所形成的一種人工設(shè)計(jì)的光子學(xué)材料。按照介電材料分布的空間周期性，光子晶體可以分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體。當(dāng)電磁波的頻率落入光子帶隙中時(shí)，由于光子晶體強(qiáng)烈的布拉格散射效應(yīng)，電磁波將被光子晶體全部反射回來(lái)而不能在光子晶體中傳播。光子晶體的光子帶隙通常出現(xiàn)在布里淵區(qū)的邊界上，它不僅與光子

4、的能量有關(guān)，還與光子的傳播方向有關(guān)。 1、熟悉光子晶體基礎(chǔ)理論及其光譜特性研究的基本內(nèi)容研究的基本內(nèi)容n2、設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)；、設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)；n光子晶體諧振腔腔結(jié)構(gòu)光子晶體諧振腔腔結(jié)構(gòu)是光器件的核心，衡量是光器件的核心，衡量該諧振腔好壞的一個(gè)重該諧振腔好壞的一個(gè)重要指標(biāo)就是諧振腔的品要指標(biāo)就是諧振腔的品質(zhì)因素。高品質(zhì)因子的質(zhì)因素。高品質(zhì)因子的光子晶體諧振腔可以在光子晶體諧振腔可以在非常小的體積里對(duì)光場(chǎng)非常小的體積里對(duì)光場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的限制。產(chǎn)生很強(qiáng)的限制。研究的基本內(nèi)容研究的基本內(nèi)容n3、通過(guò)軟件學(xué)習(xí)，結(jié)構(gòu)仿真與分析；n對(duì)光子晶體光開關(guān)的設(shè)計(jì)建模、仿真計(jì)算、性能分析主要是建立在對(duì)光子晶體的理論分析

5、和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，而由于光子晶體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使人們難以推導(dǎo)出其帶隙和場(chǎng)分布函數(shù)的解析解，只能利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值求解。 需要解決的主要問(wèn)題需要解決的主要問(wèn)題1、光子晶體光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法、光子晶體光開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法n光子晶體是一種折射率周期性變化的人造光學(xué)材料，折射率變化的周期與光波長(zhǎng)有著相同的量級(jí)。當(dāng)光在這種介質(zhì)中傳播時(shí)，某些頻率范圍的光會(huì)受到抑制，形成光子禁帶，從而可以有效地控制光子的傳輸狀態(tài)，成為實(shí)現(xiàn)光開關(guān)等集成光子器件的新型基礎(chǔ)材料。如果在光子晶體中引入缺陷，就會(huì)在帶隙中產(chǎn)生缺陷態(tài)；引入介電常數(shù)可控的非線性材料就可以調(diào)節(jié)缺陷態(tài)的位置。這些特性可以用來(lái)制作光開關(guān)。需要解決的主要問(wèn)題需要解決

6、的主要問(wèn)題 2、諧振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、諧振腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目前的研究結(jié)果表明，利用諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)的光子晶體耦合器件是一種能很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)開關(guān)的結(jié)構(gòu)。能改變這種器件的關(guān)鍵部分諧振腔的參數(shù)來(lái)簡(jiǎn)便地改變器件的光學(xué)特性，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)光的動(dòng)態(tài)控制。提高諧振腔品質(zhì)因素的方法主要有：通過(guò)增加光子晶體反射的周期數(shù)來(lái)增強(qiáng)對(duì)光場(chǎng)的束縛；通過(guò)對(duì)諧振腔的結(jié)構(gòu)和材料的調(diào)整來(lái)增強(qiáng)對(duì)光場(chǎng)的束縛。需要解決的主要問(wèn)題需要解決的主要問(wèn)題n3、研究光子晶體的理論分析和計(jì)算方法n光子晶體的理論研究是為光子晶體器件的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，可以避免試驗(yàn)的盲目性，為今后的制造打下基礎(chǔ)。目前光子晶體中的原理最根本上是從目前的電磁理論出發(fā)，在介電常數(shù)數(shù)

7、呈周期性分布的介質(zhì)中求解Maxwell方程組。研究步驟、方法及措施研究步驟、方法及措施 1、實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的原理有兩種：n（1）通過(guò)光子帶隙遷移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)n如果非線性介質(zhì)具有正的三階非線性折射率，可以選擇探測(cè)光的波長(zhǎng)位于光子帶隙的短波帶邊，開始時(shí)探測(cè)光不能通過(guò)光子晶體。選擇泵浦光的波長(zhǎng)位于光子晶體的導(dǎo)帶，并且遠(yuǎn)離光子帶隙。依據(jù)三階非線性光學(xué)Kerr效應(yīng)，非線性介質(zhì)的折射率與泵浦光強(qiáng)成正比關(guān)系。在泵浦光的作用下，非線性材料的折射率增大，使得光子晶體的有效折射率增加，光子帶隙向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。此時(shí)，探測(cè)光位于光子晶體的導(dǎo)帶，能夠通過(guò)光子晶體。同樣，如果非線性介質(zhì)具有負(fù)的三階非線性系數(shù)，可以選擇探測(cè)光位于

8、光子帶隙的長(zhǎng)波帶邊，開始時(shí)探測(cè)光不能通過(guò)光子晶體，但是在泵浦光的作用下，非線性材料的折射率減小，使得光子晶體的有效折射率變小，光子帶隙會(huì)向短波方向移動(dòng)，這就導(dǎo)致探測(cè)光位于光子晶體的導(dǎo)帶，可以通過(guò)光子晶體。 。研究步驟、方法及措施研究步驟、方法及措施 n（2）通過(guò)缺陷模式遷移實(shí)現(xiàn)光開關(guān)。n根據(jù)光子晶體的光子局域理論，如果在光子晶體中引入缺陷，該缺陷將支持一個(gè)諧振的電磁場(chǎng)模式，在光子帶隙中出現(xiàn)相應(yīng)的缺陷態(tài)。選擇合適的缺陷結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以使缺陷模式具有很高的透過(guò)率。選擇泵浦光位于光子晶體的導(dǎo)帶，且遠(yuǎn)離光子帶隙。選擇探測(cè)光的波長(zhǎng)位于缺陷模的中心波長(zhǎng)，開始時(shí)探測(cè)光能夠通過(guò)光子晶體。在泵浦光的作用下，由于

9、三階非線性光學(xué)Kerr 效應(yīng)，光子帶隙發(fā)生移動(dòng)，相應(yīng)地缺陷模式的中心波長(zhǎng)也發(fā)生改變，使得缺陷模式的位置發(fā)生移動(dòng)，探測(cè)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)離缺陷模式的中心并落入光子帶隙中，探測(cè)光就被光子晶體全部反射回來(lái)而不能通過(guò)光子晶體。 研究步驟、方法及措施研究步驟、方法及措施 n2、研究光子晶體的理論分析和計(jì)算方法與仿真。n研究光子晶體的理論分析和計(jì)算方法主要有：平面波展開法(Plane Waves Method: PWM)、有限時(shí)域差分法(Finite-Difference Time-Domain: FDTD)、傳輸矩陣法(Transfer Matrix MethodTMM)、有限元法(Finite Element

10、 Method: FEM)、龍格庫(kù)塔數(shù)值模擬法、平均場(chǎng)分析法、格林函數(shù)法、Order-N 法、多重散射理論法(Multiple-Scattering Theory)等。目前所使用的仿真軟件有MPB與MEEP兩種。 研究步驟、方法及措施研究步驟、方法及措施n3、設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)。n在非線性光子晶體中引入一個(gè)線缺陷，就能構(gòu)成一個(gè)直波導(dǎo)。頻率位于光子帶隙中的光束就能在這個(gè)波導(dǎo)中傳輸。在波導(dǎo)旁邊引入一個(gè)點(diǎn)缺陷就構(gòu)成了一個(gè)微腔，微腔有自己固有的諧振頻率。設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)奈⑶缓筒▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，使得它們之間的諧振頻率有一小的失諧。入射波導(dǎo)的光束在波導(dǎo)中傳輸，當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)，波導(dǎo)中的導(dǎo)波模與微腔中的諧振模之間的耦合很弱，光能量能夠沿著值波導(dǎo)通過(guò)光子晶體。當(dāng)入射光能量增強(qiáng)時(shí)，由于三階Kerr 效應(yīng)而導(dǎo)致的光子晶體有效折射率的改變，使得微腔的諧振頻率與導(dǎo)波模逐漸的靠近。此時(shí)波導(dǎo)和微腔耦合作用逐漸的加強(qiáng)，導(dǎo)波模的能量逐漸的傳給微腔的諧振模。當(dāng)入射的光束能量超過(guò)一定的閾值時(shí)導(dǎo)波模式的能量完全傳遞給微腔的諧振模式，這樣光束就不能通過(guò)光子晶體。n4、繪制圖紙，撰寫論文。工作安排及進(jìn)度工作安排及進(jìn)度