用于全光缓存的光子晶体慢光宽带无色散及动态控制研究

In the realization of all-optical network and information processing, optical buffer is a critical component, where distortionless transmit and dynamically control of the optical signal are desiderate to be solved. In this project, we are planning to use one efficient, flexible and newly-released software package to analyse the dispersion curve and electromagnetic field distribution of photonic crystal slow light in different waveguide. Based on these, the mechanisms of slow light in different structure will be clearly defined, and non-dispersion characterize will be analysed: 1) By special designing of photonic crysal structure nearby the waveguide, the flat wide band low-despersion characteristics of slow light will be researched; 2) With structure design of the microcavity and near bulk, the superslow and low-dispersion condition of slow light will be researched; 3) Through chirping the waveguide structure, dispersion compensation will be obtained to realize non-dispersion research. 4)To exert dynamical control over the entire processes, nonlinear optical materials will be introduced, and with the enhancement of slow light, the control of slow optical pulse with external field will be discussed. Based on above research, the theoretical model of dynamic control in optical buffer will be designed and the condition of dynamic control will be obtained. Results of this project will strongly support the development of the theory of photonic crystal slow light and its group velocity. This will provide a new way for the practicality of optical buffer.

全光缓存器是实现全光网络的关键部件，也是全光信息处理应用亟待解决的问题，而信号无失真和动态控制是缓存功能实现的关键。本项目拟采用一种新型、高效、灵活的计算软件，分析不同结构光子晶体慢光的导模色散曲线和电磁场分布与传输，明确慢光传输的不同机理，研究波导结构的无色散特性：1)通过在波导结构近侧特异性设计，获得平坦宽带慢光的低色散特性；2)通过微腔和微腔附近结构设计，获得极低速低色散慢光条件；3)通过波导中引入啁啾结构进行色散补偿获得无色散慢光传输条件；最终实现慢光信号的保形传输。4）将非线性材料引入无色散波导，在慢光加强作用下，研究外场对无色散慢光传输的动态调制，设计出慢光传输动态控制的理论模型，获得全光缓存的动态控制条件。本项目的成果将为光子晶体慢光及其群色散理论的发展提供有力支持，并为光缓存等器件实用化开辟新的途径。

本项目基于全光通信的关键部件全光缓存器的需求，研究光子晶体（PC）结构慢光的实现条件，而PC慢光用于缓存最突出的问题是非常小的慢光带宽和慢光区比较大的群速度色散，考虑到实际应用中缓存的要求，本项目研究实现宽带、低色散慢光传输的影响因素和实现条件，为方便缓存控制，研究设计了光子晶体慢光的动态控制结构和实现方法与条件。主要研究结果包括以下四个方面：1）二维光子晶体线缺陷波导（2D PCW）两侧局部引入眼形散射元和矩形散射元，同时进行局部结构优化，获得了归一化延迟带宽积(NDBP)达到0.366和0.402，带宽为65.3nm，群速度色散为2.54ps2/mm的宽带、低色散慢光传输；另外，在PCW结构中引入六角形光流体填充环形散射元，得到了92.9nm带宽、色散系数为4.86ps2/mm的超宽带低色散慢光；这种大带宽低色散慢光的实现有利于光信号的无失真传输，为光通信数据的高质量传输提供了条件。2）在2D PCW中，将材料调整与PC整体结构优化结合起来，在PCW缺陷波导两侧最近两行空气孔内填充不同折射率n1、n2的光流体，同时进行整体一致的结构调整，获得了群折射率ng从30到200的大范围宽带低色散慢光；研究得到，PC散射圆孔一致相同，固定n1不变，调整n2，可以获得从55.7365到15.2134范围内连续变化的慢光群折射率ng，并且全部NDBP大于0.3331。这种仅改变填充材料就可以获得群折射率连续变化的慢光的方法，降低了结构的制备难度和精度要求，并且PCW结构可以重复使用，也为慢光的进一步动态控制提供了基础。3）一维PC中引入多个缺陷构成耦合腔波导（CROW）实现宽带慢光传输，通过结构和材料优化获得带了带宽达到20.06nm，群速度色散系数D为-4.6578~4.7904 ps/(mm·nm)的宽带低色散慢光传输；在二维PC-CROW中通过微腔局部优化获得了群速度小于大的带宽、低色散、高存储性能的PC波导结构。4）在2D PC-CROW中引入非线性材料，研究了慢光的动态控制，慢光波长动态灵敏度可以达到3.0nm/mV，延迟时间和缓存容量C的调制灵敏度可以达到0.445ns/mV和0.051bit/mV。这为PC慢光的动态控制提供了依据，为缓存中信息的读写、慢光选频、缓存时间和速度控制提供了方法。