二维光子晶体波导耦合特性及波分复用研究

论文摘要

光子晶体是一种新型的人工材料,研究表明其具有光子带隙与光子局域两个基本特性。光子晶体波导是实现光波的传输与光子集成的重要的元件,耦合是光波在光子晶体中传播的一种重要的能量传递方式,因此对于光子晶体波导与耦合特性的研究具有重要的意义。本文重点研究了光子晶体波导的传输特性与两波导耦合结构的耦合特性,在此基础上提出了一种新型的高效异质结构四波长波分复用器。本论文主要工作分为如下几个方面：1.计算了二维正方晶格介质柱型光子晶体的带隙分布及TM模偏振的禁带与介质柱半径及折射率的变化关系,二维三角晶格空气孔型光子晶体的禁带特性及其禁带随半径的变化关系。分析了带有点缺陷的二维正方晶格的TM模偏振的带隙分布,模拟了二维光子晶体缺陷态的分布。2.计算分析了TM模在二维正方晶格介质柱型光子晶体直波导,90度弯曲波导以及二维三角晶格介质柱型光子晶体60度弯曲波导中的透射谱,计算了TE模在二维三角晶格空气孔型光子晶体60度弯曲波导中的透射谱。分别模拟了光波在直波导以及各种弯曲波导中传输的电场分布图。3.分析了两波导耦合结构的耦合和解耦合特性,通过设置耦合长度,可以控制光波呈直通态或者交叉态在哪个端口输出,通过时域有限差分法验证了其耦合特性。研究了耦合长度与耦合结构半径对耦合特性的影响。4.基于光子晶体波导的耦合特性,运用平面波展开法和时域有限差分法,我们提出了一种新型的高效异质结构四波长波分复用器。它由直波导与90度拐角波导组成。对此种结构的正方晶格光子晶体波分复用器的数值模拟结果表明,该结构可以实现四个波长的分离,通过进一步新颖的结构优化,提高了该结构的透射率,并且其尺寸较小,在未来光子集成回路中有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.1.1 光子晶体的概念
• 1.1.2 光子晶体的特征
• 1.1.3 光子晶体的分类
• 1.2 光子晶体的制备
• 1.3 光子晶体的应用
• 1.3.1 光子晶体光纤
• 1.3.2 光子晶体波导
• 1.3.3 高性能反射镜
• 1.3.4 光子晶体偏振片
• 1.3.5 光子晶体微腔
• 1.4 光子晶体研究方法
• 1.4.1 平面波展开法
• 1.4.2 时域有限差分法
• 1.4.3 传递矩阵法
• 1.5 本论文的主要研究内容
• 第2章 二维光子晶体带隙结构分析
• 2.1 二维光子晶体带隙分析
• 2.1.1 二维正方晶格介质柱型光子晶体的带隙分析
• 2.1.2 二维三角晶格空气孔型光子晶体的带隙分析
• 2.2 二维光子晶体缺陷态分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 光子晶体波导特性分析
• 3.1 光子晶体直波导的特性分析
• 3.2 光子晶体弯曲波导的特性分析
• 3.2.1 90度弯曲波导
• 3.2.2 60度介质柱型三角晶格弯曲波导
• 3.2.3 60度空气孔型三角晶格弯曲波导
• 3.3 本章小结
• 第4章 光子晶体波导耦合特性分析
• 4.1 两波导光子晶体耦合器的基本结构及原理
• 4.2 耦合长度对耦合特性的影响
• 4.3 耦合结构半径对耦合特性的影响
• 4.4 结论
• 第5章 高效异质结构四波长波分复用器的设计与优化
• 5.1 引言
• 5.2 原理与分析
• 5.3 设计
• 5.4 优化
• 5.5 结论
• 第6章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果