新型二维光子晶体自准直滤波器设计和数值模拟论文

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1、中文摘要光子晶体因其色散关系的多样性，能够在与工作波长可比拟的尺度范围内实现对光传输的多样控制，因此光子晶体器件有望在未来的集成光路(即光子芯片)获得重要应用。在过去十几年，基于光子晶体的微米尺度光器件已成为一个国际研究热点。本论文利用平面波展开法和时域有限差分法进行数值计算，利用光子晶体所特有的光束自准直现象，围绕自准直光束干涉效应这一国际前沿课题，提出和设计了几种新型二维光子晶体滤波器。主要研究工作和成果如下：1．设计分析了两种基本类型的光子晶体(介质圆柱和空气圆孔)中的自准直光束全反射器和分束器。全

2、反射器有两种构成方式：利用光子晶体禁带以及空气边界来全反射；分束器利用空气沟或者利用线缺陷来完成。通过这些器件能够灵活控制光束直角转弯和1：1比率的分束。2．运用自准直光束之间的干涉原理，设计了光子晶体自准直Mach．Zehnder(MZ)干涉仪。主要包括介质圆柱和空气圆孔两种类型，系统研究了它们的滤波特性。在自准直频率范围内，两个输出端口的透射谱均呈正弦形且互补，透射峰随着两干涉臂的光程差增加而向低频移动。一组等频率间隔的自准直光束可经MZ干涉仪滤波为两组频率间隔倍增的光束。可用于光子芯片波分解复用器或

3、interleaver。3．利用自准直光束垂直相交无串扰的特性，设计了折叠式MZ干涉仪。系统研究了它的特性。这个结构不仅有上述MZ干涉仪的性质，而且其光出口和入口在同一侧，为将来器件的使用方便创造了有利条件，同时有效地减小了器件尺寸。4．通过在光子晶体中加液晶设计了可调MZ干涉仪，系统研究了它们的滤波特性，透射峰随着液晶的有效折射率／Serf增加而向低频移动，最大透射峰调节范围大于相邻透射峰间距。此干涉仪可用于可调式的波分解复用器或interleaver。，5．设计了基于自准直干涉效应的两种类型光子晶体(

4、介质圆柱和空气圆孑L)Michclson干涉仪并系统分析了其滤波特性。透射峰随两干涉臂的光程福建师范大学硕士学位论文差增加而向低频移动，当一系列等频率间隔的自准直光束同时入射进被Michelson干涉仪分成从两个出口出射的两组光束，出射光束的频率间隔变为入射时的两倍。本文的创新点：利用光子晶体特有的自准直现象以及自准直光束之间的干涉效应，首次提出并设计了光子晶体自准直非对称式、折叠式和可调式Mach．Zehnder干涉仪滤波器以及Michelson干涉仪滤波器，这几种新型的干涉仪滤波器工作波长范围较大、制

5、造简单、尺寸可小至几十个工作波长，因此可以用在未来的光子芯片当中。关键词：光子晶体自准直干涉滤波器集成光路lI中文文摘光子晶体自提出后就迅速的成为国际上的研究热点。除了“光子带隙”和“光子局域”两个基本性质外，它还具有多种操控电磁波传播的特性，因此有着非常广阔的应用前景，特别是在光子集成、光电集成、光通讯等领域的应用倍受人们关注。起初人们主要研究了光子晶体因其带隙存在从而有效地抑制自发辐射或者制造缺陷形成光波导从而控制光传播方向。最近，更多的研究重点落在了光子晶体允许带的色散特征方向。由于光传输的群速度和

6、能量传输方向是同一方向，因此如果能够设计出合适的光子晶体结构，就可以有效地控制光传输的速度和方向。基于光子晶体特有的色散特向，光子晶体更多的性能和用途被不断发现，比如可用作超透镜、复用．解复用器或光波导等。本论文基于麻省理工学院开发的免费FDTD软件包进行数值计算，围绕光子晶体的色散特性，利用平面波展开法和时域有限差分法提出设计和计算了几种利用自准直干涉效应的新型二维光子晶体滤波器，在深入分析了设计和模拟结果的基础上总结了这些器件各自的光学特性，探讨了其在光通讯和光集成中的潜在应用，为基于自准直效应的光子

7、集成芯片器件提供了新的设计思路和依据。本论文共分六个部分，其内容如下第一章，综合阐述了光子晶体的概念、主要特征、主要类型及主要应用。第二章，介绍了本文所用到的研究光子晶体的两种主要方法：平面波展开法和时域有限差分法。通过平面波展开法可以计算光子晶体的能带结构和等频图从而清楚地反映结构的色散特性，从色散关系可以知道光子在光子晶体的传播行为。通过时域有限差分法我们可以数值计算出电磁波在光子晶体内传播的时域演化过程。第三章，介绍了自准直现象及其原理。设计分析了两种基本类型的光子晶体(介质圆柱和空气圆孔)中的自准

8、直光束的全反射器和分束器。全反射器有两种构成方式：利用光子晶体禁带以及空气边界来全反射；分束器利用空气沟或者利用线缺陷来完成。通过这些器件能够灵活控制光束直角转弯和1：1比率的分束。所设计的全反射和分束器为后面器件的设计提供了前提条件。第四章，设计了基于自准直效应的二维光子晶体自准直Mach．Zehnder干涉仪、折叠式Mach．Zehnder干涉仪、可调式Mach．Zehnder干涉仪。当一系列等频率间隔的V福建师范大学硕十