光子晶体光通信器件的理论模拟与全息制作分析

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1、日录．5．1．3实验装置与结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．465．1．4实验总结分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l5．2双光纤与三光纤干涉制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯515．2．1实验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l5．2．2理论计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯515．2．3实验器材与试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯‰⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．545．2．4曝光制作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯575．2．5实验总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58第六章论文总结以及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．60读硕士学位期间参加的课题及发表的学术论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．65致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66IV第一章绪论‘我们现今的时代是信息时代，半导体是信息时代的主导，他的出现引来了大规模集成电路、电子计算机、高速

3、互联网、物联网等信息产品的产生于应用。这些产品的基本原理就是在半导体中如何利用和控制电子运动。电子起着传输信号的作用，但是，半导体产品面临的局限已经显露，因为在纳米级的区域内，量子波动使他变得非常不可靠。而光子没有这个缺点，反而比电子更具优势：极快的速度、几乎上没有相互作用。他具有高传输速度、高容错性以及高密度等优点。所以人们把目光投向光子，设想用光子作为信号的传输载体。自从激光器的产生，对光子的特性以及与物质的相互作用的认识不断增加，同时，以光子为信息载体的光子器件相继出现，但是要想大规模地运用到

4、信息产业，必须把光器件集成到一种类似于半导体的物体上，光子的作用就像半导体中电子的作用，这样，才能既克服电子的局限，又能大规模运用。这种物质就是光子晶体。光子晶体于1987年提出概念并在自然界找到天然物质，光子晶体的最大的特点是自如地控制光子的流动。所以，光子晶体应用到信息产业必然会有更大的发展。基于光子晶体的光器件现在已经出现甚至应用。如低阈值甚至无阈值的激光器、无损耗的光子晶‘．●体波导、色散补偿作用的光子晶体光纤、低驱动的能量的放大器及非线性光开关、高品质的光学谐振腔、波长分辨率极高的光学超棱

5、镜、以及具有高效率的发光二极管等等，这些器件以及以后不断出现的光子晶体器件，可以预示着基于光子晶体集成这些器件的可能，同时预示着全光通信以及光子计算机成为可能。所以说光子晶体是下一代通信体系中的基础物质。光子晶体器件由于尺寸小易于集成的优点必将使他广泛应用。1．1光子晶体简介·1987年Yablonovitch和John同时独立地提出了光子晶体的概念f1】，当时的提出时基于他们当时各自的课题：如何抑制自发辐射和研究光子局域的性质。他们研究的实质都是光在周期性电介质结构材料中的传播问题。固体电子能带理

6、论告诉我们，在晶体内部，原子呈周期性排布，库仑场的叠加，产生了周期性势场。电子在其中运行时周期性势场布拉格散射形成了能带结构。导带与导带之间有带隙。这种带隙叫禁带。电磁波不能在带隙中传播。与此类似，当电磁波在周期电介质中材料中传播时，也会形成能带结构，叫做光子能带结构，里面的带隙成为第一章绪论光子带隙(photonicbandgap)。这个具有光子带隙的材料成为光子晶体f2】。光子晶体带隙分为完全带隙和不完全带隙。完全光子带隙是具有全方位的光子带隙，就是一定频率范围内光子无论什么方向的传播都被禁止传

7、播，不完全光子带隙即只有在特定方向上有光子带隙【3】。因为光子在光子晶体中的行为与电子在天然晶体的行为很相似，固体物理中的许多概念都可以用在光子晶体上【4】。如布里渊区、倒格子、色散关系、Bloch函数、VanHove奇点等。但是需要说明的是光子晶体与电子晶体有相同的地方也有不同地方。比如光子服从的是Maxwel1方程，而电子则服从薛定谔方程；光子波属于矢量波，而电子波属于标量波；电子是自旋为1／9．的费米子，光子是自旋为1的玻色子；还有电子之间有特别强的相互作用，而光子之间没有作用力【6】。光子晶

8、体吸引了无数个科学家的关注。自从1987年光子晶体概念提出以后，无论是理论研究还是实验研究甚至应用研究，都得到了蓬勃的发展。在1999年，光子晶体研究被《自然》杂志评为十大进展之～【2】。国内有不少科学家也投入到了光子晶体的研究中17]，中科院的物理所的张道中，南京大学的闵乃本，复旦大学的资剑，浙江大学的何赛灵等各个研究组，遗憾的是国内的研究都是集中在理论上，较少在制作器件上，这可能由于设备太昂贵的原因。1．2．本文的选题意义及研究内容光子晶体已经取得了巨大的发展，越