三维声光子晶体慢光波导增强光力耦合研究

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近年来,随着集成光子学的快速发展,对亚波长/纳米尺度下的声光相互作用现象的研究受到全世界范围内的广泛关注,成为一个非常活跃的交叉领域,丰富了传统的光声学和光力学的研究内容。慢光传输是增强光力耦合和各种光非线性重要手段。在本文中,我们基于理论分析和数值模拟,系统研究了如何利用三维声光子晶体(Phoxonic Crystal)缺陷波导中的慢光效应来增强光力耦合作用。我们考虑了在由硅材料制成的同时具有较宽的声、光带隙的三维网络结构声光子晶体中改变散射体半径而引入亚波长尺度的线缺陷波导。发现在该线缺陷波导中光波和弹性波模态不仅可以同时局域传播,而且在慢光效应以及亚波长尺度下的高功率密度和表/界面效应(移动边界效应、光辐射压),会使得其中的光力耦合作用得到明显加强。对于所考虑的线缺陷波导,我们研究了一种最为常见的声光相互作用现象:受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering)。主要研究内容和结果如下:1.研究了慢光效应对受激布里渊散射增益的影响,发现慢光可明显提高该增益,在力学品质因子(Q值)为1000时,计算得出该结构产生的受激布里渊散射增益强度可以达到10~7(m-1w-1)量级,而现有文献报道的硅材料的亚波长结构中的受激布里渊散射增益强度一般只能达到10~4(m-1w-1)量级;2.研究了邻近的弹性波本征模之间的相互作用对受激布里渊散射增益的影响,发现了在考虑该模间相互作用时,所得的受激布里渊增益与不考虑模间相互作用时所得的布里渊增益存在明显不同,尤其是存在模式简并的情况下。3.研究了Q值对受激布里渊散射谱的影响,发现随着Q值的增加,由弹性波本征模简并引起受激布里渊散射峰分裂的也就越明显,同时受激布里渊散射增益的强度增大,相邻的两个弹性波本征模之间的谱线下移。4.研究了非对称结构的双线缺陷波导中缺陷几何尺寸的变化对缺陷模态的影响,发现打破结构对称性,导致简并模式具有了更宽的频率分布。通过调节缺陷半径,可以实现禁带范围内任意频率光波的束缚,并较于单缺陷情况下获得的增益谱有较大突变,从而进一步证明了模间的相互作用对受激布里渊增益存在影响。本文所获得的研究结果将为亚波长及微纳结构中的声传播及声光相互作用现象的理论及实验研究提供参考,从而促进目前正广受关注的微结构/纳米光声学和光力学的发展。
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