基于光子晶体级联微腔的动态光存储研究

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电子信息技术经过多年的高速发展后遇到了“电子瓶颈”,摩尔定律也趋于极限。由于光作为信息载体具有带宽大、传输快、抗干扰性好、安全可靠等诸多优势,人们期待着实现信息从发送到接收全过程都用光来完成的全光网络。光存储是实现全光网络中不可或缺的一环,其在光信号处理、量子计算、芯片上光互联等方面有着重要作用。光存储(延迟)技术的关键是使光速大大下降,而当下提出的各种慢光机制中,研究最多的是电磁感应透明(EIT)效应。当前应用全光EIT效应的光学系统主要是基于两个或多个微腔的静态耦合形成极窄的EIT峰,进而导致光脉冲的群速度大大下降。但是,这类慢光机制受到延迟-带宽限制,通常为了获得大延迟量而形成的极窄EIT峰谱宽使得工作带宽非常小,导致延迟-带宽乘积很小。人们发现通过对慢光系统进行动态调制可以突破延迟带宽限制,但现有的动态调制系统要么要求严格的动态相位匹配条件,要么需要超高速周期性地调制折射率,要么是在伴随有多种不希望出现的谐振模式产生的耦合行波谐振器中实现,且行波谐振器需要较大的体积。为了克服上述不足,我们基于光子晶体级联微腔的可控光存储系统,通过动态调制微腔折射率的方法控制EIT峰的线宽,使微腔在低Q值状态和高Q值状态间切换,以此实现对脉冲的有效捕获、低损长时存储和随时按需释放,并最终打破了延迟-带宽限制。本文针对现有光存储系统的局限性,提出了动态光子晶体系统的一般性理论,揭示如何对光脉冲进行动态存储及其背后的物理原理。根据这些分析结论,我们设计了一种紧凑的硅基光子晶体系统并进行FDTD仿真实验,对光脉冲的存储时间长达240ps,延迟-带宽乘积超过460,被捕获的信号脉冲可以根据需要随时释放,且释放后的光脉冲失真程度相对更为轻微。第一章我们介绍光子晶体的基本概念,主要特性,制备方法,实际应用等,并介绍了光存储的研究现状;第二章我们介绍了研究光子晶体的数学方法:平面波展开法和时域有限差分法;第三章我们重点在于设计能够产生类EIT效应的光子晶体级联微腔;第四章和第五章我们结合理论分析和仿真实验,对如何进行动态光存储、突破延迟-带宽乘积的限制进行了探讨。
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