学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

二维光子晶体薄板暨光逻辑器件理论研究

作　者: 刘肯
导　师: 季家镕；袁晓东
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 光学工程
关键词: 光子晶体能带图散射矩阵时域有限差分二维光子晶体薄板 Brewster角传导共振空气波导光学滤波器光学非逻辑门
分类号: TN256
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 78次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

本课题重点研究二维光子薄板内的模式和外部模式耦合的一些光学特性,发现了一些新的光学现象,在此基础上设计了一些功能器件;以前人们研究光在二维光子晶体薄板内传播的特性时,由于所设计的波导结构均为介质波导,未出现空气波导结构,因此本课题也设计了一种基于二维光子晶体薄板复合结构的空气波导的结构,并对其光学传输特性进行了研究;在最后一章对光逻辑器件进行了一些试探性的研究工作,希望能和前面发现的新现象和新器件结合,在未来的工作中设计出更加紧凑的光逻辑器件。本课题具体工作如下:(1)独立建立了光子晶体频域和时域仿真的分析技术。在频域仿真技术中,平面波展开方法可以用来求解光子晶体的能带图;散射矩阵方法,适用于完整的二维光子晶体薄板的光学特性的研究,特点是速度快,稳定性好;时域仿真技术应用时域有限差分方法,不仅适用于二维光子晶体薄板的光学特性的研究,而且适用于三维任何形状的光子晶体器件的研究。由于可以利用两种仿真技术对结果相互验证,因此所计算结果的可靠性大大提高。(2)研究了椭圆孔二维光子晶体薄板不同于均匀介质平板的Brewster角分布,我们发现只要适当的设置二维光子晶体薄板的参数,薄板总可以存在类似均匀薄板Brewster角的光学特性。但是它的分布和传统的均匀介质薄板的Brewster角有很大不同。(3)研究了相位对二维光子晶体薄板中的传导共振的影响,并提出利用相位控制二维光子晶体薄板中的传导共振的方法,这种方法不仅适用于对称的二维光子晶体薄板,也适用于非对称的二维光子晶体薄板。我们设计了非对称的二维光子晶体薄板外加一层介质反射镜来验证我们的理论。而且这种方法可以应用到带点缺陷的二维光子晶体薄板中,此时点缺陷内的共振模式是垂直方向上的泄漏模式。(4)将一维全方向全反射光子晶体和二维光子晶体薄板结合,组成复合结构,设计了复合结构的空气波导,并研究了光在空气波导中的传输性质,计算结果表明,通过适当的设计和优化,光可以在直线波导和60度角拐弯波导中无损耗的传播。这种结构比三维光子晶体结构的空气波导制作相对要简单。(5)利用二维光子晶体薄板中的特殊光学性质,设计了一种可以二维集成的光学滤波器,并在此基础上设计了一种平顶的光学滤波器。此平顶光学滤波器的设计结构只是在原来结构上稍作改变,而不需要增加任何新的结构。(6)提出了一种基于波长控制的非逻辑门的设计。所谓基于波长控制的非逻辑门就是当输入端输入λ1的一个脉冲光波时,输出端输出λ2波长的光波,并且保持这种状态。输入端输入λ2的一个脉冲光波时,此时输出端输出λ1波长的光波,并且保持这种状态。两个状态改变所需要的时间大约在0.1ns左右。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第一章绪论  15-22
  1.1 光子晶体的历史及研究概况  15-18
    1.1.1 光子晶体概念的产生  15
    1.1.2 光子晶体的理论研究方法  15-16
    1.1.3 光子晶体中的新现象及应用  16
    1.1.4 光子晶体器件  16-17
    1.1.5 二维光子晶体薄板  17-18
    1.1.6 国内研究现状  18
  1.2 选题背景和论文的内容安排  18-20
    1.2.1 选题背景  18-19
    1.2.2 章节安排  19-20
  1.3 论文的创新与不足  20-22
第二章光子晶体能带及二维光子晶体薄板传输特性的频域分析方法  22-29
  2.1 利用平面波展开求解光子晶体的能带  22-23
  2.2 利用散射矩阵方法求解二维光子晶体薄板传输特性  23-24
  2.3 利用Bloch波方程求解二维光子晶体薄板传输特性  24-25
  2.4 进一步讨论  25-27
  2.5 本章小结  27-29
第三章光子晶体时域有限差分方法  29-37
  3.1 麦克斯韦方程组和Yee原胞  29-31
    3.1.1 麦克斯韦方程组  29-31
    3.1.2 Yee原胞  31
  3.2 直角坐标中三维FDTD表达式  31-32
  3.3 网格点上电磁参数的选取以及数值稳定性  32-33
    3.3.1 网格点上电磁参数的选取  32
    3.3.2 数值稳定性  32-33
  3.4 边界条件  33
  3.5 激励源设置  33-34
  3.6 对于电磁场的傅里叶变换  34
  3.7 近场到远场的变换  34
  3.8 谐振腔的品质因子  34-35
  3.9 电磁场数据五维可视化  35-36
  3.10 本章小结  36-37
第四章二维光子晶体薄板中的Brewster角分布和相位对传导共振的影响  37-53
  4.1 二维光子晶体薄板中的传导共振  37-39
  4.2 椭圆孔二维光子晶体薄板中的Brewster角分布  39-43
  4.3 相位对二维光子晶体薄板传导共振的影响  43-48
  4.4 相位对二维光子晶体薄板传导共振的影响的进一步讨论  48-51
  4.5 本章小结  51-53
第五章基于一维、二维光子晶体复合结构的光子晶体空气波导研究  53-65
  5.1 一维的全方向反射的介质镜  53-55
  5.2 二维光子晶体的空气波导  55-59
  5.3 三维的复合结构空气波导  59-63
  5.4 进一步讨论  63-64
  5.5 本章总结  64-65
第六章一种基于介质全反射镜可平面集成的光学滤波器的设计  65-78
  6.1 背景介绍  65-66
  6.2 二维可集成光滤波器的设计  66-71
  6.3 平顶光学滤波器的设计  71-75
  6.4 进一步讨论  75-76
  6.5 本章小结  76-78
第七章一种基于波长控制的非逻辑门的设计  78-92
  7.1 引言  78-79
  7.2 对Martin T. Hill等人设计的光学存储器的简单理论分析  79-83
  7.3 一种基于波长控制的非逻辑门的设计  83-90
  7.4 基于波长控制的非逻辑门的进一步讨论  90-91
  7.5 本章小结  91-92
第八章总结和展望  92-95
  8.1 工作总结  92
  8.2 未来展望  92-95
致谢  95-97
参考文献  97-104
作者读博期间取得的学术成果  104-105
附录A 光子晶体的本征方程的推导  105-107
附录B 二维光子晶体薄板传输特性的散射矩阵求解  107-111
附录C 二维光子晶体薄板传输特性的Bloch波展开求解法  111-113
附录D 直角坐标中三维FDTD表达式  113-115
附录E 时域有限差分中的UPML边界条件  115-120
附录F 基于波长控制的非逻辑门环形激光器内的速率方程  120-124

二维光子晶体薄板暨光逻辑器件理论研究

内容摘要

全文目录

相似论文