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光子晶体的滤波特性及分束器的优化设计

作　者: 石哲
导　师: 廖清华
学　校: 南昌大学
专　业: 光学
关键词: 光子晶体波导 定向耦合器 光分束器 多模干涉 自映像原理 平面波展开法 时域有限差分法
分类号: O734
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


人工周期性介质材料是光子晶体的另一种称呼,由于其带隙的存在和局域光子的本质特点,使人们能很好地控制光子的传播行为。能带结构和杂质与缺陷态的存在引起的局域是光子晶体最本质的物理特征。目前,光子晶体已成为了研究前沿最重要课题方向之一。线缺陷的引入可巧妙地构造出光子晶体波导,与传统的波导不同,光子晶体波导可在大拐弯处实现低损耗或者零损耗高效传输。利用光子晶体波导的耦合行为,学者一直企图在体积微型化和大规模光电集成等方面得到突破。目前的研究现状已经表现在多种器件中,成为了光通信方面的重要的光学候选元件。把成熟的平面波展开法应用在一维周期性的结构中,且该结构包含了多缺陷层,我们研究了其中的多通道滤波特性和宽带滤波的特性,通过调制缺陷层来实现滤波的通道可调。研究发现,调制缺陷层的填充材料的等效介电常数,可很好地实现导带线向禁带的区域方向移动。三角晶格二维光子晶体的带隙,平面波展开法很适合于计算这方面的问题,TM带隙和介质柱的半径之间存在什么关系及TE带隙与空气孔的半径之间存在什么关系,都是本论文研究的重点。此外,本文还同时用透射谱比较了两种带隙的最佳参数选择问题。这无疑可为光电器件的设计提供一定的理论参考。自映像原理一直与设计光子晶体多模耦合波导联系在一起,本文设计的1×2分束器也是如此。时域有限差分法又与光波在器件中的传播行为的模拟计算联系在一起的,本文模拟了光场分布并计算了分束器传输效率的问题,计算表明:仅仅通过改变多模波导与输出波导联结处的介质柱的位置,从而优化其结构,在工作点频率处,便可大大提高分束器的效率传输以及带宽。设计一种能按照任意比能量输出的光分束器是光子晶体波导的定向耦合的研究基础和应用的重要方面,本文的研究发现:只要通过非对称地改变耦合区中的其中一排介质柱的折射率,便可实现输出能量在一定范围内的自由调节,从而实现任意比能量输出,为分束器的任意比能量输出提供了一种有效的实用的方法。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第1章 引言  9-17
  1.1 光子晶体综述  9-10
  1.2 光子晶体的结构与种类  10-11
  1.3 光子晶体的物理本质特征  11-12
  1.4 光子晶体的应用与潜在应用  12-13
  1.5 光子晶体获得的一般方法  13-14
  1.6 光子晶体研究理论的一般综述  14-16
  1.7 本学位论文的主要研究工作  16-17
第2章 基于缺陷可控材料填充的可调一维光子晶体滤波特性  17-23
  2.1 引言  17
  2.2 计算方法与结果分析  17-21
    2.2.1 一维光子晶体的平面波展开法  17-19
    2.2.2 算例  19-21
  2.3 结论  21-23
第3章 光子晶体带隙分析和波导的传输特性研究  23-38
  3.1 FDTD电磁仿真  23-27
    3.1.1 Yee元胞与麦克斯韦方程组的差分方程  23-26
    3.1.2 FDTD方程的数值稳定性  26
    3.1.3 吸收边界条件  26-27
    3.1.4 FDTD激励源  27
  3.2 二维光子晶体带隙分析  27-29
    3.2.1 二维介质柱光子晶体带隙特征  27-28
    3.2.2 二维空气孔光子晶体带隙特征  28-29
  3.3 二维光子晶体弯曲波导传输效率分析  29-35
    3.3.1 二维介质柱弯曲波导的传输效率探索  30-32
    3.3.2 二维空气孔弯曲波导的传输效率探索  32-35
  3.4 TM模在空气孔直波导中的传输效率分析  35-37
  3.5 本章小结  37-38
第4章 基于三角晶格光子晶体多模波导的1×2分束器的优化设计  38-46
  4.1 引言  38-39
  4.2 光子晶体多模波导分束器的结构和分析  39-42
  4.3 分束器的优化设计及分析  42-45
  4.4 结论  45-46
第5章 平行光子晶体波导间的定向耦合特性  46-57
  5.1 多模干涉的自映像理论  46-48
  5.2 两平行光子晶体波导的耦合特性分析  48-52
    5.2.1 波导间耦合特性分析  48-50
    5.2.2 结构微调耦合后的波导间耦合特性分析  50-52
  5.3 三平行光子晶体波导间的耦合特性分析  52-56
    5.3.1 波导间耦合特性分析  52-54
    5.3.2 耦合区结构微调后的波导间耦合特性分析  54-56
  5.4 本章小结  56-57
第6章 光子晶体波导耦合型1×2分束器的任意比能量输出  57-62
  6.1 引言  57-58
  6.2 1×2分束器结构  58
  6.3 结果与讨论  58-61
  6.4 结论  61-62
第7章 结论和展望  62-64
  7.1 结论  62-63
  7.2 进一步的工作方向  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
攻读学位期间的研究成果  69

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体物理 > 晶体的光学性质
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