基于完全光子带隙的光子晶体功能器件研究

论文摘要

由于电子信息技术的高速发展,集成电路最小尺寸的发展早已到达传统物理的瓶颈。芯片尺寸逐渐缩短时,集成电路的主要载体电子产生热效应,这将出现一系列的问题。比如集成电路性能降低,浪费能量多,传输速率慢等。光子晶体是以光子为信息载体的复合材料,相对于电子来说,光子具有许多优势性能,可以利用这些性能制造集成光路。由于光子晶体有优秀的研究性能和广泛的使用前景,国内外研究人员越来越专注于研究光子晶体。光子晶体的一个重要特点是具有光子带隙,光子带隙分为两种:完全光子带隙和方向带隙。人们一直致力于追求频率范围较大的完全光子带隙,并在此基础上制造出光子晶体功能器件。本文利用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）方法主要研究了基于完全光子带隙的二维平板光子晶体的波导器件和基于完全光子带隙的理想二维光子晶体设计的功能器件两部分内容。具体的内容和结果如下:首先,二维平板光子晶体可以很好地掌控光的传播和容易实验制备,研究人员对其在类TE和类TM偏振模式中表现出的光子带隙特别感兴趣。通过降低光子晶体晶格的对称性,可以实现在特定频率区域内同时实现在类TE和类TM偏振中的光子带隙。基于镶嵌在硅背景中的空气孔,提出了两种二维光子晶体平板结构,它们分别是蜂窝状结构交替排列的不同尺寸圆形空气孔,大圆和小三角形的空气孔。透光率表明这两种结构提供了较大的完整带隙。设计了不同种类的直波导,通过分析光透射率和空间光场分布情况,研究了它们对入射光束局域的能力,其中光能在优化后的波导结构中完美局域。我们提出的光子晶体平板波导便于实际制造,并可应用于未来的全光集成器件。其次,理想二维光子晶体的基础上,增大空气孔的半径找到具有较大完全光子带隙的光子晶体结构参数。去掉一排空气孔,形成线缺陷,不断调整线缺陷的大小,设计出波导结构使其对偏振有控制作用,这样的优点有:结构简单,工作频率较大。在此基础上设计出环形腔滤波器结构,使两个偏振模式的光可以同时通过该耦合腔结构,在某个频段内又可以选择性通过。又进一步设计出环形腔相邻以及交错排列的耦合腔波导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   第一节 研究背景及意义
•   第二节 国内外研究现状
•   第三节 本文的主要内容
• 第二章 光子晶体简介
•   第一节 光子晶体的概念
•   第二节 光子晶体主要分类
•   第三节 光子晶体的特征
•   第四节 时域有限差分方法
•   第五节 光子晶体的应用
•   第六节 本章小结
• 第三章 二维平板光子晶体偏振无关波导器件
•   第一节 引言
•   第二节 由空气孔组成的三角晶格光子晶体平板的光传播特性
•   第三节 由不同尺寸的圆孔组成的蜂窝状光子晶体平板的光传播特性
•   第四节 圆孔和三角孔交替排列的蜂窝状光子晶体平板的光传输特性
•   第五节 本章小结
• 第四章 理想二维光子晶体波导及缺陷结构功能器件
•   第一节 基于完全光子带隙的理想二维光子晶体波导结构设计
•   第二节 基于完全光子带隙的理想二维光子晶体滤波器结构设计
•   第三节 环形腔相邻排列形成的光子晶体耦合腔波导结构设计
•   第四节 环形腔交错排列形成的光子晶体耦合腔波导结构设计
•   第五节 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   第一节 全文总结
•   第二节 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录与参与项目

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭红梅

导师: 王义全

关键词: 光子晶体平板,完全光子带隙,和偏振,时域有限差分方法

来源: 中央民族大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,化学

单位: 中央民族大学

分类号: O734

总页数: 58

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