基于二维光子晶体能带与缺陷结构的管通信器件设计与研究

论文摘要

随着科技的迅猛发展,尤其是传输速度与大数据带来的巨大压力,电子器件逐渐遇到性能瓶颈。相较于电子器件,光子器件具有明显的速度优势,而且容错率更高,抗干扰能力更强。因此利用光子代替电子,制备高性能、高度集成的光子器件已成为目前的研究热点。光子晶体的出现为全光通信技术和光子集成等现代高科技技术提供了新思路。基于光子晶体的多通道滤波器、偏振光分束器、全光开关等器件凭借其尺寸小、传输高效、结构可调节等优点,引起了社会的广泛关注。本文围绕二维光子晶体的能带与缺陷结构展开了系统深入的研究,仿真工作通过RSoft光学仿真软件进行。主要由以下几个方面展开:1.通过平面波展开法（PWE）和时域有限差分法（FDTD）分析了三角晶格、正方晶格、蜂窝型晶格、非对称环形结构等几种不同结构的光子晶体带隙和传输性能。以介质柱型三角晶格光子晶体为研究对象,在完整的光子晶体中分别引入三种缺陷,研究发现,点缺陷具有很强的光子局域性;线缺陷能够很好的传输波导,在120°弯折情况下传输效率也能在88%以上;环形缺陷则能够将光波进行耦合。2.设计了一款基于光子禁带的双通道光子晶体微腔滤波器,该器件在二维三角晶格光子晶体中引入呈中心对称的“L”型谐振腔,通过改变介质柱半径引入两个点缺陷,实现了1550nm和1110nm波长的传输。采用时域有限差分法和平面波展开法进行仿真,结果表明,该结构实现了输出波导大角度180°分离,器件尺寸仅为10?m?6?m,两个波长的透射率均能达到97%以上,信道隔离度高且易于集成。3.基于光子晶体的环形谐振腔和非线性折射效应,设计了一种光子晶体全光开关。该器件的环形谐振腔由非线性折射介质TiO2构成,很好的实现了开关的接通、断开。仿真结果显示,在接通状态下,输出端口的透射率高达99.4%,响应时间仅为14.3ps,开关性能良好。4.设计了一种基于完全带隙的蜂窝型晶格光子晶体偏振光分束器。它主要利用了完全带隙中TE（横电模）模和TM（横磁模）模均能传播的特点,通过改变介质柱半径,使其中TE模的带隙上移,超过完全带隙的范围,来达到分离两种模式的目的。对该偏振光分束器的数值计算和仿真模拟,证明所设计结构可实现TE模和TM模的高效分离,在1550nm波长附近的透射率都能达到98%以上,且消光比高,分别能达到19.01dB和29.21dB。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 光子晶体的定义与特征
•   1.2 光子晶体的分类及制备方法
•   1.3 光子晶体的应用
•     1.3.1 光子晶体光纤
•     1.3.2 光子晶体滤波器
•     1.3.3 光子晶体偏振光分束器
•     1.3.4 光子晶体激光器
•     1.3.5 光子晶体全光开关
•     1.3.6 光子晶体传感器
•   1.4 主要工作的创新点
•   1.5 论文的研究重点和工作安排
• 第2章 光子晶体的数值理论方法
•   2.1 时域有限差分法（FDTD）
•     2.1.1 稳定性条件
•     2.1.2 吸收边界条件
•   2.2 平面波展开法（PWE）
•   2.3 超晶胞基本理论
•   2.4 本章小结
• 第3章 光子晶体波导的性能分析
•   3.1 影响光子晶体带隙的几种结构分析
•     3.1.1 晶格类型对光子禁带的影响
•     3.1.2 空气孔型三角晶格光子晶体
•   3.2 缺陷类型对于光子晶体性能的影响
•     3.2.1 点缺陷
•     3.2.2 线缺陷
•     3.2.3 环形谐振腔缺陷
•   3.3 本章小结
• 第4章 双通道微腔光子晶体滤波器的设计与分析
•   4.1 光子晶体滤波器的研究现状
•   4.2 光子晶体滤波器的设计
•   4.3 光子晶体滤波器的性能分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于非线性折射效应的谐振腔光子晶体全光开关
•   5.1 光子晶体全光开关的研究现状
•   5.2 光子晶体全光开关的设计
•   5.3 光子晶体全光开关的实现及性能分析
•   5.4 本章小结
• 第6章 二维蜂窝型晶格光子晶体偏振光分束器的研究
•   6.1 偏振光分束器的研究现状
•   6.2 基于完全带隙的光子晶体偏振光分束器的结构设计
•   6.3 基于完全带隙的光子晶体偏振光分束器的性能分析
•   6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李明扬

导师: 李传起

关键词: 光子晶体,光子晶体滤波器,完全带隙,偏振光分束器,全光开关

来源: 广西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 广西师范大学

分类号: TN713;O734

总页数: 58

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