二維光子晶體光通信功能器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究.pdf

1、光子晶體的發(fā)現(xiàn)，為控制光和電磁波傳播和運(yùn)動(dòng)提供了一個(gè)全新的途徑。光子晶體由折射率周期性變化的介質(zhì)材料構(gòu)成。在光子晶體結(jié)構(gòu)中，一定頻段的光波不能傳播，形成光子帶隙。利用光子晶體的帶隙效應(yīng)，在光子晶體中引入缺陷就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光子的有效控制，例如線缺陷波導(dǎo)和點(diǎn)缺陷共振微腔?；诠庾泳w帶隙效應(yīng)而設(shè)計(jì)和制作的各種光子器件尺寸小，易于集成，與相應(yīng)傳統(tǒng)器件相比具有優(yōu)越的性質(zhì)，在下一代光通信系統(tǒng)中將有重要的應(yīng)用。 本文結(jié)合未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)日益增長(zhǎng)

2、的波分復(fù)用系統(tǒng)的實(shí)際需要，基于二維光子晶體，利用適時(shí)耦合模理論，設(shè)計(jì)了一些光通信功能器件，包括上下路光濾波器、2×2定向耦合光開(kāi)關(guān)以及光分束器、Mach_Zehnder(MZI)干涉儀等。它們與傳統(tǒng)器件相比，不僅尺寸微小易于集成，而且具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)?；诙S光子晶體，然后設(shè)計(jì)了一個(gè)可重構(gòu)光上下路分插復(fù)用器，這個(gè)器件集成了一個(gè)光上下路復(fù)用器，兩個(gè)光子晶體彎曲波導(dǎo)，以及一個(gè)2×2高消光比光子晶體光開(kāi)關(guān)。這個(gè)器件具有幾百個(gè)平方微米量級(jí)的外

3、形尺寸，同時(shí)它也展現(xiàn)了光子晶體器件集成性好的巨大優(yōu)點(diǎn)。 研究了光子晶體線缺陷波導(dǎo)和點(diǎn)缺陷微腔幅度變化的適時(shí)耦合模理論。運(yùn)用這個(gè)理論去分析光子晶體線缺陷波導(dǎo)與點(diǎn)缺陷微腔之間的耦合系統(tǒng)，建立點(diǎn)缺陷微腔幅度隨時(shí)間變化的耦合方程。同時(shí)，本文從經(jīng)典Maxwell方程出發(fā)，根據(jù)光子晶體的電磁理論基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了光子晶體的數(shù)值分析方法。重點(diǎn)研究了兩種數(shù)值計(jì)算方法：平面波擴(kuò)展法(PWE)和時(shí)域有限差分法(FDTD)，分別用來(lái)計(jì)算光子晶體器件的

4、帶隙特性和傳輸特性。 研究了一種新型的光子晶體三端口上下路通道濾波器。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，使用了兩個(gè)光子晶體點(diǎn)缺陷微腔，一個(gè)微腔用來(lái)在主波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)上下路濾波，另外一個(gè)波長(zhǎng)選擇性反射微腔由一個(gè)邊耦合微腔構(gòu)成，用來(lái)在主波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)選擇性的反射反饋。用耦合模理論分析了這個(gè)新型的通道濾波器結(jié)構(gòu)模型，從理論上得出了100％上下路效率的條件。然后，基于二維光子晶體結(jié)構(gòu)，如二維方形排列的高折射率介質(zhì)柱光子晶體結(jié)構(gòu)和高折射率平板上的三角晶格空氣孔排

5、列的光子晶體結(jié)構(gòu)，按照理論的完全上下路條件，分別設(shè)計(jì)了這樣的光子晶體通道濾波器。用時(shí)域有限差分方法證明這種光子晶體通道濾波器結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)完全的上下路復(fù)用。接著利用這種設(shè)計(jì)模型，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于二維光子晶體的六通道波分復(fù)用/解復(fù)用結(jié)構(gòu)。 首次設(shè)計(jì)了一種基于二維光子晶體的可重構(gòu)光上下路分插復(fù)用器?；谠O(shè)計(jì)的通道濾波器模型，用適時(shí)耦合模理論證明上下路過(guò)程互為逆過(guò)程，因此一個(gè)上下路復(fù)用器結(jié)構(gòu)可將上下路過(guò)程合并獲得。為了同時(shí)獲得高消光比

6、和短耦合長(zhǎng)度的一個(gè)2×2光子晶體定向耦合光開(kāi)關(guān)，在這個(gè)定向耦合結(jié)構(gòu)中引入啁啾波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。啁啾結(jié)構(gòu)僅僅通過(guò)漸進(jìn)的改變光子晶體波導(dǎo)邊緣的介質(zhì)柱而獲得。通過(guò)改變光子晶體定向耦合結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)域和啁啾區(qū)域介質(zhì)柱的折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)操作。利用兩個(gè)120°的光子晶體彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將以上兩個(gè)器件連接在一起，獲得可重構(gòu)的光上下路分插復(fù)用器，從而在將來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由。 基于光子晶體定向耦合結(jié)構(gòu)的模式分裂效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種寬帶寬的光分束器，在