全反射界面光子晶体波导异质结构提高光波单向传输性能的理论研究

摘要

近年来，随着通信技术的发展，人们对通信的要求越来越高，在光通信系统中，光信号的顺利传输已经成为了研究的焦点。光在从一端向另一端传输的过程中，如果发生散射或反射，影响输入端的信号，就会对整个传输效果产生影响，因此有必要研究光在光路中的单向传输问题。
　　目前实现光波单向传输的方式有很多种，研究中采用较多的主要有利用法拉第磁光效应、在光子晶体结构中添加非线性材料、引入缺陷打破结构的空间或时间反演对称性等方法。但是这些方法在实际应用过程中都存在一定的缺陷，利用法拉第磁光效应时需要在结构外添加磁场以实现旋光；结构中添加非线性材料时，对入射光功率的要求较高，很难实现；打破结构空间或时间反演对称性的方法实现的光波正向透射率较低，单向传输效果不够好。在后来的研究中，研究人员又通过具有不同能带特性（一侧禁带，另一侧导带）的异质结构之间的能带失配来实现光波的单向传输。但是这种方法不仅对结构中光子晶体的能带有要求，还必须调整界面处的晶格排布，才可能实现单向传输。而通常情况下准确的晶格排布较难寻找，因此该方法的使用受到限制。
　　本文设计了具有全反射倾斜界面的异质结构，只要结构的材料合适、界面的倾斜角度合适，就可以实现光波在TE模式、TM模式下的单向传输。在此异质结构基础上分别添加光子晶体波导，使光波沿着光子晶体波导进行传输，从而减少光在均匀介质中的反射和散射，提高光波单向传输效率。
　　主要研究内容和结果如下：
　　1.用二氧化硅（SiO2）和锗（Ge）设计了一种可以实现光波单向传输的基础异质结构，该结构实现全反射的入射角临界角为20.47°，在满足全反射条件下选择界面与水平方向的夹角为60°。该基础异质结构在双偏振模式光在波长1000~2000nm波长范围内透射对比度接近于1，TE偏振模式光正向透射率达到0.66，TM偏振模式光正向透射率达到0.74。
　　2. TE模式下，在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导，其中光子晶体具有完全禁带，介质柱为 Ge，得到异质结构一。该结构实现了在1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.7，透射对比度接近于1的单向传输。在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导，其中光子晶体具有完全光子禁带，介质柱为 SiO2，得到异质结构二。该结构正向透射率在完全禁带的波长范围内进一步提高，但是反向透射率也相应有所增加，导致透射对比度降低。分别改变TE模式下异质结构二左、右两侧背景下光子晶体波导的宽度d1E和d2E，对单向传输特性进行分析。当d1E增大时，反向透射率会逐渐升高，影响单向传输效果。当d2E增大时，正向透射率逐渐增大，反向透射率降低明显，透射对比度逐渐升高并趋于平稳。
　　3. TM模式下，在基础结构左侧SiO2背景中添加光子晶体波导一，其中光子晶体具有方向带隙，介质柱为Ge，得到异质结构零；将其中的光子晶体替换为具有完全禁带的光子晶体，即添加光子晶体波导二，得到异质结构一；在异质结构一右侧Ge背景中也添加光子晶体波导二，其中光子晶体具有完全带隙，介质柱为 SiO2，得到异质结构二。分别分析这三种结构的光波单向传输特性，正向透射率逐渐升高，异质结构二中正向透射率在1480~1680nm波长范围内基本高于0.9。分别改变TM模式下异质结构二左、右两侧光子晶体波导宽度d1M和d2M，对单向传输特性进行分析。当d1M逐渐增加时，正向透射率会逐渐下降；当 d2M逐渐增大时，正向透射率增大并更加平稳。
　　4.在 TE、 TM模式下分别选用新材料组成可以实现全反射的结构，并添加光子晶体波导，对其单向传输特性进行研究。TE模式下，利用空气（Air）和二氧化硅（SiO2）作为背景，在两个背景中分别放置不同参数的Ge介质柱，形成光子晶体波导。调整左侧接收波导的位置，实现了在波长1392~1723nm范围内正向透射率接近于0.98，透射对比度高于0.9的单向传输。TM模式下，利用砷化镓（GaAs）和锗（Ge）作为背景，在两侧背景材料上打空气孔形成三角晶格光子晶体波导，通过调整左侧接收波导的位置，实现了1000~2000nm波长范围内正向透射率基本高于0.95，透射对比度高于0.82的光波单向传输。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 光子晶体简介

1.2 光子晶体的研究方法

1.3 光子晶体应用

1.4 本文的主要工作

2.1 基础结构参数选择与分析

2.2 本章小结

第三章 TE模式下光子晶体波导对传输特性的影响

3.1 左侧SiO2背景中添加光子晶体波导（TE）

3.2 左侧SiO2背景和右侧Ge背景中均添加光子晶体波导（TE）

3.3 光子晶体波导宽度对传输特性的影响（TE）

3.4 本章小结

第四章 TM模式下光子晶体波导对传输特性的影响

4.1 左侧SiO2背景中添加光子晶体波导一（TM）

4.2 左侧SiO2背景中添加光子晶体波导二（TM）

4.3 左侧SiO2背景和右侧Ge背景中均添加光子晶体波导（TM）

4.4 光子晶体波导宽度对传输特性的影响（TM）

4.5 本章小结

第五章 新材料实现全反射的结构分析

5.1 TE模式下新材料组成的异质结构分析（Air和SiO2）

5.2 TM模式下新材料组成的异质结构分析（GaAs和Ge）

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文