本發(fā)明屬于光電傳輸技術(shù)領(lǐng)域，涉及耦合腔光子晶體波導(dǎo)中的慢光特性及其動態(tài)調(diào)制。
背景技術(shù)：
耦合腔光子晶體波導(dǎo)中的慢光傳輸相比于光在線缺陷光子晶體波導(dǎo)中的傳輸，耦合腔波導(dǎo)可以大幅度減小光的傳輸群速度，光子在耦合腔波導(dǎo)中的傳播，只要相鄰微腔之間模場重疊充分，一旦諧振在第一個(gè)微腔形成，光就會通過腔體之間的弱耦合實(shí)現(xiàn)傳輸。耦合腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的背景介質(zhì)柱尺寸、環(huán)繞腔體介質(zhì)柱尺寸、腔體間距和背景折射率都會影響到弱耦合的強(qiáng)度，進(jìn)一步影響慢光的傳輸特性。光子晶體耦合腔波導(dǎo)的禁帶中有非常平坦的導(dǎo)模，這也是其最突出的特點(diǎn)之一。與線缺陷波導(dǎo)相比，耦合腔波導(dǎo)的群折射率增大了一個(gè)數(shù)量級，并且還具有相當(dāng)大的ndbp。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供耦合腔光子晶體波導(dǎo)中的慢光特性測量及動態(tài)調(diào)制方法，本發(fā)明的有益效果是實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的慢光效應(yīng)及高性能的全光緩存。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是光子晶體結(jié)構(gòu)是硅介質(zhì)棒以三角晶格結(jié)構(gòu)置于具有電光效應(yīng)的有機(jī)聚合物聚苯乙烯基底內(nèi)，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沿著x方向，通過有規(guī)律地移除單一的硅介質(zhì)棒形成一系列微腔構(gòu)成。
進(jìn)一步，晶格常數(shù)a＝396nm，背景介質(zhì)柱的半徑為r＝0.25a，環(huán)繞微腔介質(zhì)棒半徑為r0＝0.33a，微腔之間的距離為δ＝n×a，波導(dǎo)長度l＝n×δ,其中n為超胞結(jié)構(gòu)的數(shù)目。
進(jìn)一步，光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中n為3。
進(jìn)一步，隨著外加調(diào)制電壓的不斷增大導(dǎo)模的頻率向高頻移動，導(dǎo)模的存儲容量不斷減小，比特長度不斷增大，品質(zhì)因子和延遲時(shí)間不斷減小并且減小速率越來越慢，并且延遲時(shí)間的調(diào)制靈敏度約為0.596ps/mv。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
本發(fā)明的光子晶體結(jié)構(gòu)是硅介質(zhì)棒以三角晶格結(jié)構(gòu)置于具有電光效應(yīng)的有機(jī)聚合物聚苯乙烯基底內(nèi)。光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)沿著x方向，通過有規(guī)律地移除單一的硅介質(zhì)棒形成一系列微腔構(gòu)成。為了使光子晶體波導(dǎo)能夠支持通信波段波長(1550nm)附近的導(dǎo)模傳輸，設(shè)計(jì)晶格常數(shù)a＝396nm，背景介質(zhì)柱的半徑為r＝0.25a，環(huán)繞微腔介質(zhì)棒半徑為r0＝0.33a。微腔之間的距離為δ＝n×a，優(yōu)選光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中n為3；波導(dǎo)長度l＝n×δ,其中n為超胞結(jié)構(gòu)的數(shù)目。最優(yōu)結(jié)構(gòu)(r0＝0.33a)下，存儲容量c達(dá)到最大值21.31bit，比特長度達(dá)到最小值2.78μm，品質(zhì)因子q為639.4，延遲時(shí)間ts為117.23ps，導(dǎo)模的最大群速度vgmax＝0.00187c，ndbp達(dá)到最大值為0.9259。隨著外加調(diào)制電壓的不斷增大導(dǎo)模的頻率向高頻移動，導(dǎo)模的存儲容量不斷減小，比特長度不斷增大，品質(zhì)因子和延遲時(shí)間不斷減小并且減小速率越來越慢。并且延遲時(shí)間的調(diào)制靈敏度約為0.596ps/mv。利用緊束縛法可分析得到該光子晶體慢光結(jié)構(gòu)的緩存特性。慢光波導(dǎo)的長度為l＝n×δ，那么延遲時(shí)間ts＝l/vg，存儲容量c＝tsb，其中b為輸入數(shù)據(jù)的基帶帶寬。存儲容量c通過下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
其中δω為歸一化的導(dǎo)模帶寬。那么存儲1bit的物理長度，即歸零碼比特長度為lbit＝l/c＝2a/(ng×δω)。
分別設(shè)置整體介質(zhì)柱的半徑分別為0.15a，0.2a，0.25a，0.3a，0.35a，0.4a。此時(shí)不同的介質(zhì)柱半徑所對應(yīng)的慢光性能參數(shù)如表1所示。
由表1可知，當(dāng)整體介質(zhì)柱半徑由0.15a增大到0.4a時(shí)，導(dǎo)模的平均群折射率先由44.84不斷增大，在介質(zhì)柱半徑為0.3a時(shí)達(dá)到最大值480.51，然后隨著介質(zhì)柱半徑的增大開始減小，在介質(zhì)柱半徑為0.4a時(shí)減小為62.21。并且隨著介質(zhì)柱半徑的增大，ndbp也是先增大在減小，在半徑為0.3a是達(dá)到最大值0.9268。在衡量波導(dǎo)是否支持慢光傳輸時(shí)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的禁帶寬度和導(dǎo)模在pbg中的位置也是非常重要的因素。
表1不同介質(zhì)柱半徑下耦合腔波導(dǎo)慢光的平均群折射率
腔體周圍介質(zhì)柱半徑對慢光性能的影響
光子晶體耦合腔波導(dǎo)的傳輸機(jī)理是微腔之間的弱耦合，當(dāng)調(diào)整環(huán)繞腔體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)時(shí)，微腔之間的耦合強(qiáng)度就會發(fā)生變化，進(jìn)而影響其慢光特性。因此，我們可以通過調(diào)整環(huán)繞微腔6個(gè)介質(zhì)棒的尺寸來進(jìn)一步優(yōu)化耦合腔波導(dǎo)的慢光特性。介質(zhì)棒的半徑為r＝0.25a，為了方便調(diào)整環(huán)繞微腔介質(zhì)棒的尺寸r0，可以引入一個(gè)半徑系數(shù)coff，那么r0＝coff×r。首先，我們我們讓coff由1變化到1.6(間隔為0.1)。當(dāng)半徑系數(shù)coff增大時(shí)，慢光導(dǎo)模的頻率向低頻移動，群折射率漸漸變大，在coff＝1.4時(shí)，群折射率達(dá)到最大，此時(shí)最大群速度為vgmax＝0.00091c,并且平均群速度為vg＝0.00082c,ndbp為0.3881。導(dǎo)模的歸一化頻率在0.2506附近，偏離禁帶中心值δf為0.0034，此時(shí)可以較好地限制在波導(dǎo)內(nèi)傳輸，導(dǎo)模帶寬為8×10-5，品質(zhì)因子q(ω0/δω)達(dá)到了3313.2。
再結(jié)合該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的緩存特性進(jìn)行優(yōu)化分析。慢光波導(dǎo)的存儲容量c隨著coff的增大而呈線性增大，在coff＝1.3(r0＝0.325a)時(shí)達(dá)到最大值20.51bit；然后隨著coff繼續(xù)增大存儲容量c驟減，在coff＝1.4(r0＝0.35a)時(shí)，存儲容量c達(dá)到最小值8.75bit，此后c又隨著半徑系數(shù)coff的增大線性增大。歸零碼比特長度變化規(guī)律與存儲容量的c相反，這也對應(yīng)了公式lbit＝l/c。q因子隨著半徑系數(shù)coff的增大先緩慢減小然后增大，在coff＝1.4的時(shí)候，達(dá)到最大品質(zhì)因子3313.1；之后隨著半徑系數(shù)的增加其值反而驟減。延遲時(shí)間ts與群速度vg成反比，也就是與群折射率ng成正比。
在表2中總結(jié)了不同半徑系數(shù)下耦合腔波導(dǎo)慢光的傳輸性能和緩存性能的重要參數(shù)。由表2可知隨著半徑系數(shù)coff的增大，最大群折射率不斷增大，在coff＝1.42的時(shí)候達(dá)到最大值3038.35，隨后隨著coff的增大開始減小。同時(shí)，品質(zhì)因子q和延遲時(shí)間ts也達(dá)到最大值，存儲容量和ndbp達(dá)到最小值，不利于慢光的緩存和傳輸。但是在coff＝1.32時(shí)，存儲容量c和ndbp都達(dá)到最大值，比特長度達(dá)到最小值。也就是說，在coff＝1.32時(shí)，波導(dǎo)慢光的緩存特性和傳輸特性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)值。
由表2可知，當(dāng)coff＝1.32時(shí)，導(dǎo)模的最大群速度vgmax＝0.00187c，導(dǎo)模中心頻率在0.25577，歸一化帶寬為4×10-4，ndbp達(dá)到最大值為0.9259。因此coff＝1.32的pc-crow光子晶體結(jié)構(gòu)支持寬帶低色散慢光傳輸。綜合考慮波導(dǎo)慢光的傳輸性能和存儲能力，選擇coff＝1.32(r0＝0.33a)作為pc-crow的最優(yōu)慢光結(jié)構(gòu)。
表2不同半徑系數(shù)下波導(dǎo)慢光的傳輸特性和緩存特性參數(shù)
通過調(diào)節(jié)外部調(diào)制電壓，我們研究了慢光傳輸特性和緩沖性能的變化。我們設(shè)置外加電壓分別為0mv，20mv，40mv，60mv，80mv和100mv。隨著外加調(diào)制電壓的不斷增大導(dǎo)模的頻率同時(shí)也不斷增大。當(dāng)外加電壓為0mv，20mv，40mv，60mv，80mv和100mv時(shí)，導(dǎo)模的歸一化頻率分別為0.2558，0.2569，0.2574，0.2579，0.2583和0.2586。并且，導(dǎo)模的平均群折射率由592.08(0mv)連續(xù)變化到291(100mv)?？芍S著外加調(diào)制電壓的不斷增大，導(dǎo)模的平均群折射率指數(shù)性地不斷減小。通過進(jìn)一步分析，可以得到外加調(diào)制電壓與導(dǎo)模群折射率曲線之間的關(guān)系，隨著外加調(diào)制電壓的增大，導(dǎo)模向高頻移動并且群折射率不斷減小。在表3中總結(jié)了不同調(diào)制電壓下幾個(gè)重要的慢光參數(shù)。由表可知，在不同外加電壓調(diào)制下，ndbp始終保持較大的值(大于0.8215)，這意味著在調(diào)制過程中可以實(shí)現(xiàn)良好的慢光傳輸性能。
表3不同調(diào)制電壓下(0mv-100mv)的導(dǎo)模中心頻率(f0)、平均群折射率
慢光緩存特性的動態(tài)調(diào)制
研究導(dǎo)模的緩存特性隨著外加調(diào)制電壓的變化規(guī)律。隨著外加調(diào)制電壓的不斷增大，導(dǎo)模的存儲容量由21.31bit到19.12bit不斷減小，比特長度由2.79μm到3.11μm不斷增大，品質(zhì)因子q(由639.42到354.21)和延遲時(shí)間(由117.23ps到54.62ps)呈指數(shù)性不斷減小。在表4中總結(jié)了不同調(diào)制電壓下波導(dǎo)慢光的緩存性能參數(shù)。由表可知，在不同外加電壓調(diào)制下，存儲容量c始終保持較大的值(大于19.12bit)，這意味著在調(diào)制過程中可以實(shí)現(xiàn)良好的慢光緩存性能。
表4不同調(diào)制電壓下的存儲容量c、比特長度ls、品質(zhì)因子q和延遲時(shí)間ts
然后對所提出的光子晶體結(jié)構(gòu)的緩存特性對外加電壓的靈敏度進(jìn)行進(jìn)一步研究。分析緩沖長度為1mm的存儲參數(shù)。當(dāng)施加的調(diào)制電壓為0mv，20mv，40mv，60mv，80mv和100mv時(shí)，群速度為1.88×10-3c，2.34×10-3c，2.7×10-3c，2.98×10-3c，3.25×10-3c和3.44×10-3c，相應(yīng)的延遲時(shí)間分別為117.23ps，84.79ps，73.32ps，66.51ps，60.86ps和57.62ps。可以看出，群速度增加，而相應(yīng)的延遲時(shí)間隨施加的電壓上升指數(shù)性地減小。并且延遲時(shí)間的調(diào)制靈敏度約為0.596ps/mv。結(jié)果表明，通過精確調(diào)整施加的調(diào)制電壓，可以靈活地控制pc-crow的延遲時(shí)間。因此，對于固定結(jié)構(gòu)的pc-crow，通過調(diào)節(jié)外部調(diào)制電壓可以靈活地控制其慢光傳輸性能和存儲性能。
以上所述僅是對本發(fā)明的較佳實(shí)施方式而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施方式所做的任何簡單修改，等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。