基于多模干涉的多波长光子晶体波分复用器特性研究

论文摘要

在当今信息大爆炸的社会中，数据通信业务对带宽的需求日益增长，利用WDM技术扩大光纤通信系统的容量在当前是切实可行并被广泛应用的技术方案。波分复用器是WDM系统中关键的功能器件，其性能的优劣对系统传输质量有决定性的影响。基于多模干涉理论的光子晶体波分复用器，不仅结合了光子晶体的优点和波分复用系统的技术优势，还含有多模干涉耦合器件的特点，为设计微型化和集成化的波分复用器提供了新的思路。本文首先采用导模传输法分析了一般性干涉条件下多模耦合系统中的自成像原理，得到了输入场在输出端成正像和镜像的数值条件。通过平面波展开法和时域有限差分法仿真计算，分析了光场在非对称入射时，两平行光子晶体波导构成的耦合系统中自成像效应及耦合特性。仿真结果表明正方介质柱型光子晶体两平行波导耦合系统中存在解耦合特性，且可以通过调整耦合系统中某些结构参数，使得耦合拍长增大或较小，通过对比分析，得到两波导间介质柱半径大小对耦合拍长的影响最为明显。随后，设计了基于二维光子晶体多模干涉效应的三波长波分复用器和四波长波分复用器，通过时域有限差分法对器件的性能参数进行仿真计算，结果表明，所设计的两个波分复用器插入损耗均小于0.2dB，通道隔离度在15dB左右，器件结构最大尺寸为37.5μm，具有体积小巧，结构紧凑，易于集成的特点。最后讨论了所设计的波分复用器在集成光学和光纤到户技术中的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 波分复用技术简介和研究现状
• 1.1.1 波分复用技术简介
• 1.1.2 波分复用/解复用器简介及研究进展
• 1.2 基于光子晶体的波分复用器简介
• 1.2.1 光子晶体简介
• 1.2.2 光子晶体波分复用器的研究现状
• 1.3 光子晶体数值模拟方法简介
• 1.3.1 平面波展开法
• 1.3.2 时域有限差分法
• 1.4 论文研究重点和安排
• 第二章 平面波法和时域有限差分法的基本理论
• 2.1 平面波法
• 2.1.1 平面波展开法（PWM）
• 2.1.2 超晶胞基本理论及其傅立叶变换的位移特性
• 2.2 时域有限差分法
• 2.2.1 Yee 氏差分算法
• 2.2.2 吸收边界条件
• 2.2.3 FDTD 算法的数值收敛
• 2.2.4 激励源的选择
• 2.3 本章小结
• 第三章 正方晶格光子晶体波导的传输特性分析
• 3.1 二维正方晶格光子晶体带隙分析
• 3.1.1 二维正方晶格介质柱光子晶体带隙分析
• 3.1.2 二维正方晶格空气孔光子晶体带隙分析
• 3.2 二维正方晶格介质柱型单模波导光子晶体传输特性
• 3.2.1 直线型光子晶体单模波导传输特性
• 3.2.2 单模光子晶体弯曲波导
• 3.3 本章小结
• 第四章 两平行光子晶体波导的耦合特性分析
• 4.1 多模波导理论分析
• 4.1.1 导模传输分析法
• 4.1.2 多模干涉一般成像分析
• 4.2 二平行光子晶体波导耦合系统自成像效应
• 4.2.1 两平行光子晶体波导相隔一排介质柱时的自成像效应
• 4.2.2 两平行光子晶体波导相隔一排介质柱时解耦合特性研究
• 4.2.3 二平行光子晶体波导相隔两排介质柱时自成像效应
• 4.3 耦合区结构参数对两平行光子晶体波导间耦合特性的影响
• 4.3.1 耦合区波导之间介质柱大小对两平行光子晶体耦合特性的影响
• 4.3.2 耦合区波导两侧介质柱大小对两平行光子晶体耦合特性影响
• 4.3.3 耦合波导宽度对两平行光子晶体耦合特性影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于多模干涉的二维光子晶体波分复用器设计
• 5.1 波分复用器性能参数
• 5.2 基于多模干涉的光子晶体三波长波分复用器设计及性能分析
• 5.2.1 基于多模干涉的光子晶体三波长波分复用器的设计
• 5.2.2 基于多模干涉的光子晶体三波长波分复用器性能分析及优化
• 5.3 基于多模干涉的光子晶体四波长波分复用器设计及性能分析
• 5.3.1 基于多模干涉的光子晶体四波长波分复用器设计
• 5.3.2 基于多模干涉的光子晶体四波长波分复用器性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于多模干涉光子晶体波分复用器的应用
• 6.1 基于多模干涉的光子晶体波分复用器在集成光学中的应用
• 6.2 基于多模干涉的光子晶体波分复用器在光纤到户技术中的应用
• 6.2.1 光波分复用传输系统的基本组成
• 6.2.2 基于多模干涉的光子晶体波分复用器在光纤到户技术中的应用
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表的论文