基于光子晶体微腔的深亚波长纳米线激光器研究

论文摘要

半导体纳米线激光器在片上光通信和光互连中有重要应用前景。受光学衍射极限的限制,纳米线激光器尺寸的进一步降低已经遇到瓶颈。光子晶体微腔能够阻止模式泄露,使光场限制在腔内。将纳米线与光子晶体微腔结合起来,是进一步缩小纳米线激光器尺寸、降低激射阈值的一种可行途径。本文基于光子晶体微腔的Ⅲ-Ⅴ族纳米线激光器展开研究,取得的主要研究成果如下:（1）采用时域有限差分法,理论研究了单根In0.53Ga0.47As纳米线激光器的模式特性、有效折射率、限制因子与阈值增益。随着纳米线直径增大,HE11和TE01模式依次出现。阈值增益曲线表明:纳米线激光器阈值随半径增大降低,且当纳米线半径小于250nm时,HE11模式阈值低于TEQ1模式;当半径大于250nm时,TE01模式的阈值更低,且在半径300nm时达到最小值,表明TEQ1模式更容易实现激射。（2）利用时域有限差分法设计了一种W1型光子晶体微腔,晶格常数a=466.8nm,空气柱R=0.32a=149.4nm,厚度 z=1000nm,空气沟槽宽度d=3 00nm。仿真结果表明该光子晶体可以实现对1550nm光的有效限制。（3）设计了一种基于光子晶体微腔的In0.53Ga0.47As纳米线激光器,对比研究了有、无光子晶体微腔纳米线激光器的模场分布和阈值增益。结果表明,在无光子晶体微腔时,随着纳米线直径减小,对光场的限制能力减弱、阈值增益提高,当半径小于140nm时无法激射;由于光子晶体微腔对模式的较强限制作用,基于光子晶体微腔的In0.53Ga0.47As纳米线激光器激射截止半径降至70 nm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 半导体纳米线的研究背景以及意义
•   1.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线激光器的发展
•   1.3 半导体纳米线激光器的分类及应用
•     1.3.1 半导体纳米线激光器的发展
•     1.3.2 表面等离子激光器
•   1.4 光子晶体的研究背景及意义
•     1.4.1 光子晶体的简介及分类
•     1.4.2 光子晶体材料的应用
•   1.5 论文结构安排
•   参考文献
• 第二章 纳米线激光器和光子晶体的理论基础
•   2.1 纳米线激光器的理论基础
•     2.1.1 纳米线谐振腔基本原理
•     2.1.2 谐振腔内波导模式的定义
•   2.2 光子晶体的基础理论
•     2.2.1 光子晶体的特性
•     2.2.2 光子晶体的理论研究方法
•     2.2.3 光子晶体谐振腔耦合模理论
•     2.2.4 二维光子晶体波导
•   2.3 时域有限差分法
•     2.3.1 时域有限差分法的定义
•     2.3.2 Maxwell方程及Yee元胞
•     2.3.3 有限时域差分法不同维度的理论推导
•   2.4 数值稳定性和数值色散
•   2.5 吸收边界条件
•     2.5.1 Mur吸收边界条件
•     2.5.2 完全匹配层PML
•   2.6 本章小结
•   参考文献
• 0.53Ga_0.47As纳米线激光器的研究'>第三章 In_0.53Ga_0.47As纳米线激光器的研究
•   3.1 模式特性及有效折射率
•     3.1.1 研究背景
•     3.1.2 仿真条件设置
•     3.1.3 结果与分析
•   3.2 模式端面反射率,限制因子和阈值增益
•     3.2.1 研究背景
•     3.2.2 仿真条件设置
•     3.2.3 结果与分析
•   3.3 本章小结
•   参考文献
• 第四章 基于光子晶体微腔的纳米线激光器
•   4.1 光子晶体微腔
•     4.1.1 仿真条件设置
•     4.1.2 结果与分析
•   4.2 基于光子晶体的纳米线激光器的仿真
•     4.2.1 仿真条件设置
•   4.3 结果与分析
•     4.3.1 模式分布以及有效折射率
•     4.3.2 模式端面反射率,限制因子,阈值增益
•     4.3.3 基于光子晶体腔的半导体纳米线激光器的品质因数
•   4.4 本章小结
•   参考文献
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 龚翔

导师: 张霞

关键词: 纳米线,模式,光子晶体

来源: 北京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,化学,无线电电子学

单位: 北京邮电大学

分类号: TN248;O734

总页数: 80

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