光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象和各向異性圓形光學(xué)微腔的模式特性分析.pdf

1、光子作為信息和能量的載體，具有高速性、大容量、抗干擾和低能耗等特點(diǎn)。所以，人們希望制造出集成光路來控制光子。作為集成光路中最為基本的組成元件，光子晶體和光學(xué)微腔應(yīng)此需求被提出，正吸引著越來越多的科研工作者的興趣。
　　 光子晶體是一種具有周期結(jié)構(gòu)的光學(xué)介質(zhì)。由于其具有光子禁帶和光局域性等獨(dú)特的性質(zhì)和潛在的應(yīng)用前景，在二十世紀(jì)八十年代末一經(jīng)提出，就得到了人們的重視。如今，光子晶體的理論基礎(chǔ)已經(jīng)趨于完善，設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的光子晶

2、體器件成為研究重點(diǎn)。
　　 光學(xué)微腔是指至少有一個(gè)方向上尺度在光波長量級(jí)的諧振腔。它在量子計(jì)算、傳感器、低閾值窄線寬激光器以及全光通訊濾波器件等方面有巨大優(yōu)勢。目前，研究人員一直在嘗試著設(shè)計(jì)出具有高品質(zhì)因子、小模式體積、方向性輻射等特性以及無模式簡并、可調(diào)諧的微腔。
　　 正是在這樣的背景下，本論文研究了光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象和電各向異性圓形光學(xué)微腔的模式特性。主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.分別就光子晶體中介

3、質(zhì)柱半徑和介質(zhì)柱位置具有均勻隨機(jī)誤差兩種情況，用時(shí)域有限差分方法研究了光子晶體同一能帶的正負(fù)折射效應(yīng)對這兩種工藝誤差的寬容度，為實(shí)驗(yàn)上制備光子晶體提供指導(dǎo)。
　　 2.針對光子晶體同一能帶的正負(fù)折射效應(yīng)的一系列缺點(diǎn)，提出并采用平面波展開法、等頻面方法和時(shí)域有限差分方法研究了基于光子晶體交疊能帶的正負(fù)折射效應(yīng)。在這一種新的正負(fù)折射效應(yīng)中，入射光束在入射界面上和出射界面上均只在傳統(tǒng)反射方向上有反射，因而透過率更高；在出射界面上，正、

4、負(fù)折射光束均只激發(fā)了一種模式的透射光，故從光子晶體透射出來的光場便于后續(xù)器件接收和耦合；由于負(fù)、正折射分別獨(dú)立地發(fā)生于第二和第三能帶，故基于此效應(yīng)的分束器既有寬容的工作入射角，也利于用入射角度實(shí)現(xiàn)分束效果的調(diào)諧。更重要的是，這種思想提供了一種利用光子晶體的交疊能帶控制光傳輸?shù)男路f機(jī)制。
　　 3.開發(fā)了完整的分析二維各向異性微腔的數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，包括推導(dǎo)出了主軸坐標(biāo)系下電各向異性介質(zhì)中二維時(shí)域有限差分算法的迭代公式，引入體積平均有

5、效介電常數(shù)近似來處理微腔邊界，利用基于Baker算法的Padé近似將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為高精度的頻譜。利用此平臺(tái)求得的各向同性圓形微腔數(shù)值解與其解析解的高度一致性，證明了此平臺(tái)用于二維微腔分析的有效性。
　　 4.提出了各向異性光學(xué)微腔的概念，分析了二維電各向異性圓形微腔的模式特性，包括頻譜控制、方向性輻射和對高階徑向模式的抑制。在各向異性微腔中，各回音壁模式的諧振頻率隨微腔介質(zhì)的各向異性變化而線性平移，平移幅度正比于介質(zhì)的兩主折射率