基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真【开题报告】

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1、毕业设计开题报告通信工程基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真一、选题的意义与背景：自从1864年英国科学家麦克斯韦预言了电磁波的存在1887年德国科学家赫兹用实验证实了电磁波的存在之后，人类对电磁波的研究已深入各个领域，应用非常广泛。例如无线电波传输、光纤通信和移动通信、雷达技术、微波、天线电磁成像等等。随着电磁波理论在光通信领域的不断应用及对光传输材料的不断研究，光子晶体概念被提了出来。光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构。自1987年Yablonovitch和John分

2、别独立提出光子晶体的概念以来，光子晶体的理论和实验研究以及相关应用得到了迅速的发展。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，并且随着半导体微加工技术的进步和发展，人们对这些器件开展了深入系统的实验研究。这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”。光子晶体成为光波导是集成光学重要的基础性部件，它能将光波束在光波长量级尺寸的介质中，长距离无辐射的传输。光子晶体波导是光子晶体研究中非常重要的一个方面，对于基于光子晶体的光集成、光通信及光传感技术，光子晶体波导都是最基本的器件，也是开发和设

3、计其他各种器件的基础，由于三维光子晶体及波导的加工制作尚不成熟，对于光子晶体波导的研究主要集中二维光子晶体波导方面。平面波导器件又称为光子集成器件。其技术核心是采用集成光学工艺根据功能要求制成各种平面波导。目前主要的研究工作一方面是基于光子晶体波导的各种器件的设计制作，例如滤波器、分束器，耦合器以及波分复用器这些器件在尺寸上要比传统集成光学器件小的多。另一方面是二维光子晶体波导用于慢光、光学非线性效应及他们的应用。本课题涉及的是二维光子晶体的光波导器件中的光束传输性质是利用在光子晶体材料引入不同类型的缺陷(线缺陷和点缺陷)，当它们集于一体

4、时就形成了集成化的二维光子晶体器件。这种尺寸只有传统光学器件几千甚至几万分之一大小的光子晶体集成器件却几乎具备了传统光学器件的全部功能，涵盖了通信和激光源等领域所有的基本需求。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：基本内容：本课题是以主要FDTD算法为理论基础，结合边界吸收理论光子禁带算法的相关理论，使用XFDTD软件，进行二维光子晶体的T和Y型光波导器件中的光束传输性质的仿真研究。对所设计的光子晶体T和Y型波导器件中光场分布进行图像分析及数值运算。并对T和Y型器件不断优化使光束在器件内传输尽量降低损耗提高传输效率。拟解决的主要问题：1光

5、子晶体设计及光子晶体禁带的计算：光子晶体设计是本课题很重要的的一部分。光子晶体制作的好坏将直接影响仿真出的光子晶体波导器件性能的好坏，也直接影响仿真效果。本课题采用的平面波展开法对光子晶体禁带进行计算。平面波展开法是将电磁场在倒格矢空间中以平面波叠加的形式展开,将麦克斯韦方程组转化为一个本征方程,通过求解本征方程便可得到传播光子的本征频率。通过禁带的计算与光子晶体结构设计相结合使光子晶体材料尽可能达到禁带尽量宽光子晶体的性能更加好。2边界吸收条件：由于FDTD法只能计算空间有限区域的电磁场，如果想用FDTD法研究整个区域的光子晶体的性质就

6、需要采用吸收边界条件(ABC)。所以在本课题中吸收边界条件是一个非常重要的部分。重要的边界吸收方法有Mur吸收边界条件和理想匹配层（PML）。其中Mur的特点是特点是具有较宽的入射角度范围内的吸收效果，而且占内存小，但是也存在局限性。如计算精度不高，靠近边界的区域会出现介质的不连续性。本文采用的是完全匹配层（PML）。PML边界具有更高的计算精度，而且任意方向入射时均无反射。并且PML层为有耗介质，进入PML的投射波将衰减，即使PML层为有限厚度，它对于入射波仍有很好的吸收效率。PML吸收边界的反射系数可低于－70dB，比其他各种边界改善

7、约40dB。3.降低损耗：光束在二维光子晶体的光波导器件中传输过程中由于影响的因素包括很多，如设置网格的缺陷，网格尺寸不同带来的影响，等等问题一定会带有一定程度的能量损耗，如何通过进行优化使器件传输效率尽可能的高是本课题非常重要的一部分。三、研究的方法与技术路线：研究方法：本课题主要是以FDTD理论为基础，采用商用软件XFDTD6.5来对所设计的二维光子晶体T型波导进行仿真，计算出电磁场分布及随时间的变化，计算输入输出处的传输功率、器件传输效率等各种参数。技术路线：1阅读大量有关本课题算法的的有关文献，如FDTD算法，光子晶体禁带算法，边

8、界吸收条件等等。2了解XFDTD软件功能，并能熟练使用3结合平面波展开法计算禁带宽度在XFDTD软件设计画出二维光子晶体的光波导器件并设置好吸收边界条件。4通过XFDTD软件仿真得到二维光子晶