高效光子晶体光分束器的设计与研究

论文摘要

光子晶体是一种不同介电常数的介质在空间上周期性分布的人工材料,是由E. Yablonovitch和S.John于1987年同时提出的。它最突出的特点是具有“光子带隙”,频率处于光子带隙中的电磁波是禁止传播的。另外,光子晶体也可以作为光子的导体制作各种各样的光器件。与光波导光器件相比,光子晶体光器件具有体积小、结构紧凑的特点,并且其在未来光集成芯片和全光通信网络中具有巨大的应用前景,使得相关研究引起了广泛关注并成为目前光通信领域研究的前沿。本论文的主要研究内容如下：1.首先,运用耦合模理论分析环形谐振腔所表现出来的与实际器件相关的新的性质；得到光子晶体环形谐振腔的位置、大小、耦合特性、品质因数等性能指标的影响因素；获得基于光子晶体环形谐振腔结构的光学器件的传输效率及分束效率。其次,运用时域有限差分法对光波在环形谐振腔和直波导中的传输和耦合特性进行分析和研究。通过改变环形谐振腔中各主要参数,研究和分析了各参数对光波传输特性的影响。我们若选择不同折射率的介质柱或改变介质柱的半径,都可以使光场在耦合区域重新分布,从而实现能量的平均分配或自由分配。2.将环形谐振腔邻近放置在光子晶体直波导两侧构成环形谐振器,用平面波展开法及时域有限差分法,数值分析了该系统中光的传播行为。基于此结构,以三、四通道为例设计了大角度超微多路光分束器。对于正方晶格环形谐振腔多路分束器,我们选择改变环形谐振腔中耦合介质柱的半径；而对于三角晶格环形谐振腔多路光分束器,我们则选择改变区域介质柱的折射率,研究发现：两种调制方法都可以使光场发生重新分布,从而实现输出能量的均分或自由分配。在同样保证多路和高传输效率的条件下,该结构与常规波导定向耦合型分束器相比,还可实现光束的大角度分离。3.基于直波导和空腔谐振腔的耦合特性,设计了一种新型、高效的二维光子晶体结构光分束器。我们通过在每个输出端口放置若干个额外介质柱而形成的空腔谐振腔去优化该结构,时域有限差分法(FDTD)模拟表明,该设计不但可以降低反射,同时调控从而实现输出能量的均分或自由分配,在通信波长范围,该结构尺寸小、分束角度大、分束率高,这些特性使其在未来光通信领域具有重要的应用前景。4.基于光波在直波导和复合结构光子晶体中的传播特性,结合平面波展开法和时域有限差分法,我们提出并讨论了一种新型的超紧凑的光子晶体偏振光分束器。它是由输入波导,分束结构和输出波导三部分组成。对这种结构的三角晶格光子晶体光分束器的数值计算与模拟结果表明,该结构可以实现TE模和TM模的高效大角度分离,并且在通信波段设计尺寸小,这使其在未来的集成光回路中有广泛的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光子晶体的基本概念及其性质
• 1.2 光子晶体的理论研究方法
• 1.2.1 平面波展开法
• 1.2.2 有限时域差分法
• 1.2.3 耦合模理论
• 1.3 光子晶体光分束器的研究现状
• 1.4 本论文的研究内容及创新点
• 第2章 光子晶体环形谐振腔及波导特性的研究
• 2.1 光子晶体环形谐振腔的发展背景及现状
• 2.2 用CMT分析和研究环形谐振腔传输和耦合特性
• 2.3 用FDTD分析和研究环形谐振腔传输和耦合特性
• 第3章 正方晶格环形谐振腔多路光分束器的设计与研究
• 3.1 引言
• 3.2 正方晶格环形谐振腔的结构设计与模拟
• 3.3 本章小结
• 第4章 三角晶格环形谐振腔多路光分束器的设计与研究
• 4.1 引言
• 4.2 异质结构1×3光分束器的模拟与分析
• 4.3 异质结构1×4光分束器的模拟与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 三角晶格空腔谐振腔多路光分束器的设计与研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于空腔谐振腔的光分束器的设计与研究
• 5.2.1 大角度超微1×2光分束器的设计
• 5.2.2 大角度超微1×4光分束器的设计
• 5.3 本章小结
• 第6章 一种新型的偏振光分束器的设计与研究
• 6.1 引言
• 6.2 大角度偏振光分束器的设计与分析
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1 全文工作结论
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果