二维光子晶体光通信功能器件的结构设计和性能研究

论文摘要

光子晶体的发现,为控制光和电磁波传播和运动提供了一个全新的途径。光子晶体由折射率周期性变化的介质材料构成。在光子晶体结构中,一定频段的光波不能传播,形成光子带隙。利用光子晶体的带隙效应,在光子晶体中引入缺陷就能够实现对光子的有效控制,例如线缺陷波导和点缺陷共振微腔。基于光子晶体带隙效应而设计和制作的各种光子器件尺寸小,易于集成,与相应传统器件相比具有优越的性质,在下一代光通信系统中将有重要的应用。在本文中,结合未来光网络节点日益增长的波分复用系统的实际需要,基于二维光子晶体,利用适时耦合模理论,设计了一些光通信功能器件,包括上下路光滤波器、2×2定向耦合光开关以及光分束器、Mach_Zehnder(MZI)干涉仪等。它们与传统器件相比,不仅尺寸微小易于集成,而且具有不可比拟的优点。基于二维光子晶体,然后设计了一个可重构光上下路分插复用器,这个器件集成了一个光上下路复用器,两个光子晶体弯曲波导,以及一个2×2高消光比光子晶体光开关。这个器件具有几百个平方微米量级的外形尺寸,同时它也展现了光子晶体器件集成性好的巨大优点。本文研究了光子晶体线缺陷波导和点缺陷微腔幅度变化的适时耦合模理论。运用这个理论去分析光子晶体线缺陷波导与点缺陷微腔之间的耦合系统,建立点缺陷微腔幅度随时间变化的耦合方程。同时,本文从经典Maxwell方程出发,根据光子晶体的电磁理论基础,进一步研究了光子晶体的数值分析方法。重点研究了两种数值计算方法:平面波扩展法(PWE)和时域有限差分法(FDTD),分别用来计算光子晶体器件的带隙特性和传输特性。本文研究了一种新型的光子晶体三端口上下路通道滤波器。在这个结构中,使用了两个光子晶体点缺陷微腔,一个微腔用来在主波导中实现上下路滤波,另外一个波长选择性反射微腔由一个边耦合微腔构成,用来在主波导中实现波长选择性的反射反馈。用耦合模理论分析了这个新型的通道滤波器结构模型,从理论上得出了100%上下路效率的条件。然后,基于二维光子晶体结构,如二维方形排列的高折射率介质柱光子晶体结构和高折射率平板上的三角晶格空气孔排列的光子晶体结构,按照理论的完全上下路条件,分别设计了这样的光子晶体通道滤波器。用时域有限差分方法证明这种光子晶体通道滤波器结构能够实现完全的上下路复用。接着利用这种设计模型,研究设计了一个基于二维光子晶体的六通道波分复用/解复用结构。本文首次设计了一种基于二维光子晶体的可重构光上下路分插复用器。基于设计的通道滤波器模型,用适时耦合模理论证明上下路过程互为逆过程,因此一个上下路复用器结构可将上下路过程合并获得。为了同时获得高消光比和短耦合长度的一个2×2光子晶体定向耦合光开关,在这个定向耦合结构中引入啁啾波导结构。啁啾结构仅仅通过渐进的改变光子晶体波导边缘的介质柱而获得。通过改变光子晶体定向耦合结构的耦合区域和啁啾区域介质柱的折射率来实现开关操作。利用两个120°的光子晶体弯曲波导结构将以上两个器件连接在一起,获得可重构的光上下路分插复用器,从而在将来的光网络节点中实现动态的波长路由。本文还基于光子晶体定向耦合结构的模式分裂效应设计了一种宽带宽的光分束器,在此基础上设计了一种宽带宽的MZI干涉仪开关。基于定向耦合波导产生的奇偶模式分裂,设计了一种两分束光波具有π相位差的宽带宽分束器,操作机理在于在一定频段光子晶体定向耦合波导中仅仅有一个分裂超级模式存在。利用这个分束结构和一个与其不同的合束结构构成了一个光子晶体MZI干涉仪,在这个MZI一臂中引入π相位差时,利用奇偶模式的振荡增强效应得到一个宽带宽的光开关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.1.1 光子晶体定义
• 1.1.2 光子晶体的数值计算方法
• 1.1.2.1 平面波扩展法
• 1.1.2.2 时域有限差分法
• 1.1.3 光子晶体的制作
• 1.2 二维光子晶体光通信器件研究概况
• 1.3 本文主要内容
• 1.4 全文章节结构
• 参考文献
• 第二章 新型光子晶体三端口通道下路滤波器
• 2.1 光子晶体滤波器研究进展
• 2.2 新型光子晶体三端口通道下路滤波器的理论分析
• 2.3 基于二维方形晶格光子晶体的通道下路滤波器
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 基于二维三角晶格光子晶体的通道下路滤波器
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型的进一步探讨
• 3.3 基于三角晶格光子晶体滤波器的设计
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 光子晶体波分复用/解复用器
• 4.1 引言
• 4.2 上路通道滤波器的理论分析
• 4.3 设计和数字模拟
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于二维光子晶体的可重构光上下路复用器
• 5.1 引言
• 5.2 可重构上下路光复用器设计分析
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 新型光子晶体分束器和MZI 干涉仪开关
• 6.1 光子晶体分束器和MZI 干涉仪的研究介绍
• 6.2 分束器的设计和分析讨论
• 6.3 振荡增强的MZI 模式分析
• 6.4 光子晶体振荡增强的MZI
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结及展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 博士期间发表及投递论文列表
• 博士期间已申请专利
• 数值计算说明
• 致谢