二维光子晶体缺陷间的耦合及光开关研究

论文摘要

光子晶体的介电常数在空间中周期性排列,它最显著的特征是光子带隙和局域特性,光波在禁带中不能传输的,使其能像半导体控制电子一样控制光子的流动,近年来吸引了很多科研工作者的兴趣。在完整的光子晶体中引入缺陷形成的波导和微腔是构成光学器件的基本元件,光子晶体光学器件具有结构紧凑、易集成及传输损耗小等特点,近年来得到持续的发展。波导之间的耦合能改变光波的传输方向,在耦合区域引入异质结构,能实现了光开关功能的独立性。本论文主要做以下几方面的工作：1.分析了二维正方晶格及三角晶格介质柱光子晶体TE偏振模式的禁带分布图,并且分析了二维光子晶体缺陷态的分布。对正方晶格和三角晶格的点缺陷进行模拟,计算出谐振腔对应的谐振频率,画出对用的电场分布图,为滤波器的设计提供了便利。2.根据耦合模理论研究两波导间的耦合特性,计算出波导之间的耦合长度,进而设计相对应的定向耦合器。通过分析波导之间的耦合特性,改变耦合区域介质柱的折射率和半径,可以设计多种基于光子晶体波导的波分复用系统。3.首先研究光子晶体微腔与波导的耦合作用,利用时域耦合模理论和导模共振理论计算光波在微腔中的传输特性,通过模拟计算出微腔的中心频率。然后计算出波导和谐振腔的相互作用得到的高品质因子的滤波器结构。4.通过两个相邻并平行的波导建立一个基于光子晶体定向耦合的光开关模型。首先是讨论并分析利用定向耦合波导实现光开关功能的特性,然后引入异质结构,通过时域有限差分法分析异质结耦合波导的位置对开关功能的影响。结果表明异质结耦合波导的耦合效应具有整体性,波导中异质结构的位置变化不改变光开关的功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.2 光子晶体的性质
• 1.3 光子晶体的分类
• 1.4 光子晶体的制备技术
• 1.4.1 精密加工法
• 1.4.2 胶体晶体法
• 1.4.3 反蛋白石结构法
• 1.4.4 双光子聚合方法
• 1.5 光子晶体的应用
• 1.5.1 光子晶体波导
• 1.5.2 光子晶体波分复用/解复用器
• 1.5.3 光子晶体光纤
• 1.5.4 光子晶体全光开关
• 1.5.5 光子晶体滤波器
• 1.5.6 新型LED和太阳能电池
• 1.6 光子晶体的研究方法
• 1.6.1 平面波展开法
• 1.6.2 传输矩阵法
• 1.6.3 有限时域差分法
• 1.6.4 散射矩阵法
• 1.7 光子晶体的展望
• 1.8 本论文的主要工作
• 第2章 光子晶体基本特性和缺陷态
• 2.1 完美光子晶体带结构
• 2.1.1 正方晶格光子晶体
• 2.1.2 三角晶格光子晶体
• 2.2 二维光子晶体点缺陷分析
• 2.2.1 正方晶格中的点缺陷
• 2.2.2 三角晶格中的点缺陷
• 2.3 本章小结
• 第3章 光子晶体波导的耦合特性
• 3.1 光子晶体波导的特性
• 3.2 波导的特性
• 3.3 光子晶体波导低损耗特性
• 0的弯曲波导'>3.3.1 拐角为60⁰的弯曲波导
• 0的弯曲波导'>3.3.2 拐角为90⁰的弯曲波导
• 3.4 两平行波导之间的耦合与解耦合
• 3.5 多模波导的特性
• 3.5.1 三平行光子晶体单模波导
• 3.5.2 基于多模干涉的多模波导
• 3.6 本章小结
• 第4章 光子晶体波导与微腔的耦合特性
• 4.1 光子晶体波导与微腔的直接耦合
• 4.2 光子晶体波导与微腔的边耦合
• 4.3 波导与环形腔的耦合
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于光子晶体异质结耦合波导的全光开关的设计
• 5.1 引言
• 5.2 器件结构及原理
• 5.3 光开关功能的实现
• 5.4 总结
• 第6章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果