基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真【文献综述】

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1、毕业设计文献综述通信工程基于2维光子晶体的光波导器件设计与仿真摘要：光子晶体具有优异的光学性能，是当前国际光学光传输及光学器件领域研究的热点之一。光子晶体的光波导器件由于它有体积小传输效率高等特点所以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。所以光子晶体的光波导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”。光子晶体的光波导器件也成为近些年来越来越受人们关注的研究领域。本文针对光子晶体仿真中涉及的背景、原理、涉及的算法技术做简要说明。关键字：FDTD算法，光子禁带算法，完全匹配，一、背景自从1864年英

2、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

3、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

4、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。二、FDTD算法目前对电磁场仿真计算最受欢迎的方法是时域有限差分法（FDTD）。该算法的表达式较为简单可直接看出其特征，所以很方便对结构复杂的导体、绝缘介质以及非线性各向异性物质进行建模仿真。并随着计算机性能的发展，FDTD已被人们广泛地应用于计算电磁学的各个领域比如辐射天线的分析、微波器件和导行波结构的研究、散射和雷达截面计算、周期结构分、电子封装，电磁兼容分

5、析、核电磁脉冲的传播和散射在地面的反射及对电缆传输线的干扰和微光学元器件中光的传播和衍射特性，都获得较为广泛的应用。FDTD算法之所以的到如此广泛的应用是因为它拥有诸多的优越性。首先直接时域计算时域有限差分法直接把含时间变量的Maxwell旋度方程在Yee氏网格空间中转换为差分方程。在这种差分格式中每个网格点上的电场(或磁场)分量仅与它相邻的磁场(或电场)分量及上一时间步该点的场值有关。在每一时间步计算网格空间各点的电场和磁场分量，随着时间步的推进，即能直接模拟电磁波的传播及其与物体的相互作用过程。其次广泛的适用性，时域有限差分法的直接出发点是概括电磁场普遍规律的Maxwell方程这

6、就预示着这一方法应具有最广泛的适用性。从具体的算法看，在时域有限差分法的差分格式中被模拟空间电磁性质的参量是按空间网格给出的，因此，只需设定相应空间点以适当的参数，就可模拟各种复杂的电磁结构。再者FDTD算法节约存储空间和计算时间。在时域有眼差分法中每个网格电场和磁场的六个分量及其上一时间步的值是必须存储的，此外还有描述各网格电磁性质的参数以及吸收边界条件和连接条件的有关参量，它们一般是空间网格总数N的数倍．所以，时域有限差分法所需要的存储空间直接由所需的网格空间决定，与网格总数Ⅳ成正比．还有适合并行计算，计算程序的通用性，简单直观容易掌握等性质。三光子禁带的计算光子禁带是指：指某一

7、频率范围的波不能在此周期性结构中传播。这也是光子晶体具有的特殊的性质。目前最为常用的光子禁带计算方法是平面波展开法和时域有限差分法。本课题用的是平面波展开法（1）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。以六边晶格光子晶体为例进行分析。设光子晶体的晶格常数为a周期圆柱半径为填充因子f定义为周期圆柱截面面积与晶格元胞面积的比值周期圆柱的介电常数为凡基体材料的介电