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基于FDTD法的光子晶体谐振腔特性研究

作　者: 张红星
导　师: 潘炜
学　校: 西南交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 光子晶体时域有限差分法 PCRR 波分复用/解复用器分束器滤波器
分类号: TN25
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

光子晶体作为一种具有光子带隙特性的周期性电解质结构,在传输速率、带宽和损耗等方面较半导体材料有着优势。利用光子晶体禁带特性,可以制作全新的高性能光学器件,这些器件的应用将在光通信领域、光电子学、信息科学领域产生深远的影响。时域有限差分法(Finite-Difference Time -Domain, FDTD)是常用的求解电磁波的方法之一。利用FDTD法研究光子晶体的传输特性,可以实时地观察光场强度分布情况,它还具有计算效率高可直接得到宽频带结果的优点。本文从FDTD法出发,对二维正方形光子晶体模型的传输特性进行了数值计算。结合光子晶体的禁带特性分析了光子晶体环形谐振腔(Photonic Crystal Ring Resonator, PCRR)结构模型以及PCRR的传输特性,从而可以设计不同结构的光子晶体器件。主要内容有：1)利用FDTD法及完全匹配层(Perfectly Matched Layer, PML)吸收边界条件,结合快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)模拟了当TM波入射到光子晶体表面时,光子晶体的透射传输曲线以及光场强度分布情况。2)通过在完整光子晶体中引入环形线缺陷和直波导构建了PCRR模型,并分析了光子晶体谐振腔的传输特性,以及PCRR结构中散射介质柱、耦合介质柱半径和介电常数等参数对其谐振特性的影响。3)以光子晶体波导和PCRR为基础建立了三波长光子晶体波分复用／解复用器结构,实现了三束不同频率光波的高效合并／分离。随后,以PCRR为基础设计了光子晶体分束器,并分析了其光束分配特性。数值结果表明,采用对称结构的两个PCRR可以实现光波1：1的分束。通过调整两个PCRR之间的耦合介质柱个数可以实现光子晶体滤波器的前向和后向滤波。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题研究背景及意义  10-13
    1.1.1 光子晶体简介  10-11
    1.1.2 光子晶体谐振腔概述  11-13
  1.2 课题研究现状  13-14
  1.3 本论文的主要工作及安排  14-16
第2章光子晶体的理论分析方法  16-27
  2.1 Maxwell方程  16-18
  2.2 时域有限差分法  18-25
    2.2.1 Yee氏元胞分割  18-19
    2.2.2 直角坐标系中的FDTD  19-22
    2.2.3 数值稳定性分析  22-23
    2.2.4 吸收边界条件  23-24
    2.2.5 激励源的选取  24-25
  2.3 其他研究方法简介  25-27
    2.3.1 平面波展开法  25
    2.3.2 传输矩阵法  25-27
第3章二维光子晶体建模及其能带特性分析  27-36
  3.1 光子晶体基本模型分析  27-30
    3.1.1 模型参数设置  27-29
    3.1.2 仿真程序的实现  29-30
  3.2 光子晶体能带特性的数值模拟  30-35
    3.2.1 透射率的计算方法  30-31
    3.2.2 光子晶体的禁带特性分析  31-35
    3.2.3 光子晶体中光场强度分布  35
  3.3 本章小结  35-36
第4章光子晶体环形谐振腔能带特性分析及应用  36-53
  4.1 光子晶体谐振腔原理及仿真  36-38
  4.2 光子晶体环形谐振腔能带及谐振特性分析  38-43
    4.2.1 光子晶体环形谐振腔能带特性  38-39
    4.2.2 分析影响PCRR谐振特性的因素  39-43
  4.3 基于单环PCRR的波分复用/解复用器的设计  43-46
    4.3.1 光子晶体波分解复用器  43-45
    4.3.2 光子晶体波分复用器  45-46
  4.4 基于双环PCRR光子晶体器件的设计  46-51
    4.4.1 分束器特性分析  46-48
    4.4.2 光子晶体滤波器  48-51
  4.5 本章小结  51-53
结论与展望  53-54
致谢  54-55
参考文献  55-59
攻读硕士学位期间发表的论文  59

基于FDTD法的光子晶体谐振腔特性研究

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