光子晶体能带与缺陷结构光子器件研究

摘要

光子晶体是由不同介电常数材料呈周期性分布的人工微纳结构。它具有独特的控制光子的能力，不仅出现了许多新奇的物理现象，如负折射、自准直、慢光效应，还可以设计实现光子晶体光纤、波分复用器、光开关、模式转换器、功率分配器、激光器等光子器件。在本论文中，我们深入挖掘光子晶体能带和缺陷结构的独特性质，并探究了光子晶体缺陷结构在光子器件方面的若干应用。
　　首先，我们采用平面波展开法，系统研究了铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体的完全带隙随结构参数变化而改变的规律。研究表明:铜币形散射子结合了两种类型的光子晶体（空气孔型和介质柱型）有利于获得更宽的完全带隙，该光子晶体大完全带隙对制备工艺上可能引起的材料掺杂和空气孔半径的偏离具有一定的稳定性。通过对参数的分组优化，发现在ε=22.75，R=0.483 um，d=0.195 um，ψ=90°，G=1.3时，完全带隙的宽度获得最大值0.1361（△ωa/2πc），带隙率为33.55％。
　　接下来，我们研究了三端口光子晶体滤波器需要满足的品质因子比值条件和相位条件，以及提高品质因子特性的几种方法，设计了两款高性能的光子晶体滤波器。
　　在前文三端口滤波器研究的基础上，我们利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC)，设计了一款新颖的多信道下路滤波器，该滤波器主要由四个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成。利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)，分析了该异质结构滤波器的工作机制，并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离d对下路效率的影响。研究表明，该异质结反射器可以实现接近100％的反射，大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率。所设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能，信道间隔10 nm，滤波效率都在90％以上，透射谱半高宽都在0.54 nm以下，达到较高的品质因子特性。该滤波器尺寸大小只有15.15μm×13.91μm，且滤波效率高，对未来光路集成具有好的应用前景。
　　我们还研究了光子晶体的偏振无关波导，证实了在三角晶格空气孔光子晶体波导中能同时支持横电波(TE)和横磁波(TM)。采用遗传算法，找到了一组合适的结构参数使得TE导模与TM导模重叠。被优化的波导实现了偏振无关单模传输以及达到0.012（△ωa/2πc）的工作带宽。而且，在大部分频率范围内导模展示了大带宽的慢光特性和极低的群速度色散。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 光子晶体的定义与基本特性

1．2 光子晶体的分类

1．3 光子晶体的主要研究方法

1．3．1 平面波展开法(PWE)

1．3．2 时域有限差分法(FDTD)

1．4 光子晶体的应用及其重要现象

1．4．1 光子晶体滤波器研究概况

1．4．2 光子晶体偏振无关波导研究概况

1．4．3 光子晶体的慢光效应

1．4．4 光子晶体的负折射现象

1．4．5 光子晶体的自准直现象

1．5 本论文的研究内容和创新点

1．6 本文章节结构

第2章 铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体的完全光子带隙

2．1 研究背景

2．2 散射子模型

2．3 计算结果与分析

2．3．1 ε、R、d依次改变对完全带隙的影响

2．3．2 几何参数R、d、G、φ的分组优化

2．4 模拟结果的分析与讨论

2．5 本章小结

第3章 三端口光子晶体滤波器的研究

3．1 研究背景

3．2 光子晶体透射谱与缺陷结构

3．3 增加微腔与波导之间的介质层数对滤波品质因子(q)的影响

3．4 微腔内结构参数对Q的影响

3．4．1 微腔中心介质柱半径对Q的影响

3．4．2 微腔周围介质柱位置对Qtotal的影响

3．5 反射壁与微腔中心参考面之间的距离对Q的影响

3．6 双波长光子晶体滤波器设计及机制分析

3．7 本章小结

第4章 多信道异质结构光子晶体滤波器

4．1 研究背景

4．2 三端口下路滤波器模型

4．3 结构设计与数值模拟

4．3．1 异质结构反射器的设计

4．3．2 微腔参考面与异质结界面之间的距离对下路效率的影响

4．4 多通道下路滤波器的设计

4．5 本章小结

第5章 三角晶格空气孔型光子晶体的偏振无关波导

5．1 研究背景

5．2 理论模型

5．3 色散曲线的调控

5．4 遗传算法

5．5 优化与讨论

5．6 时域有限差分法仿真与讨论

5．7 慢光分析

5．8 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文工作的总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

攻读硕士学位期间参与的科研项目

致谢

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