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基于表面波调制的新型光子晶体器件研究

作　者: 刘翠莲
导　师: 唐志祥
学　校: 湖南大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 波分解复用器光子晶体波导表面波波纹面时域有限差分法
分类号: TN252
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,密集波分复用(dense wavelength division multiplexer, DWDM)技术在点对点核心网络受到越来越多的关注,它以全新的方式,在现有光纤通信系统的基础上极大地扩大了容量。在DWDM系统中,关键的元件就是波分复用／解复用器。设计体积小、加工简单、使用便捷且便于光路集成的光波解复用器是实现未来全光网络的关键技术之一。围绕这一研究热点,本文重点研究二维光子晶体波导对出射光的调控规律,并在此基础上设计出一种新型的波分解复用器,取得一些创新性成果。具体内容归纳如下。1.研究了二维光子晶体波导波纹面调控出射光的规律,设计出一种新型的基于表面波调制的新型波分解复用器。首先用一个简单的衍射示意图结合光栅方程成功的阐述波纹面调控光束的物理机制。然后用时域有限差分法(finite-difference time-domain, FDTD)系统地研究波纹面参数电介质柱半径和折射率对焦点移动的影响,发现对于同一频率的光焦点位置会随电介质柱半径和折射率的增大而远离波纹面；同时还发现对于通过同一波导传输的不同频率的光,焦点的位置会随光源频率的增加而远离波纹面,并且光束还会随频率的增大而拉长。根据上述物理机制和调控规律,我们第一次实现了能够将特定波长的光聚焦在光子晶体轴线上的不对称波纹面,而对于其它不同波长的光源,出射光偏离轴线聚焦,从而实现波分解复用功能。此外,还发现波导的纵向宽度和波导宽度对聚焦光束也会有影响。2.设计了一种新的二维光子晶体斜面波导结构,发现这种波导在不改变出射端面波纹周期的情况下也能实现对出射光的聚焦,这是与前面研究的平面波导(出射端面为平面的波导)的最大不同之处。同样地,我们利用衍射原理图对斜面波导聚焦光束的机理进行了简单的说明。通过用FDTD法仿真还发现光束的聚焦位置会随斜面角度的增大而靠近波导出口；同时发现不同频率的光在经过同一斜面波导传输后,光束的聚焦位置会随频率的增加而远离波导出口。此外还简单地研究了在斜面波导出射端形成偏转光束的两种情况,当波导两侧斜面的角度不同或斜面角度相同而波纹周期不同时都可以在端面形成偏转光束。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
插图索引  10-11
附表索引  11-12
第1章绪论  12-22
  1.1 引言  12-13
  1.2 光子晶体  13-17
    1.2.1 光子晶体的基本结构和特征  13-14
    1.2.2 光子晶体的基本原理  14-15
    1.2.3 国内外光子晶体的研究进展  15
    1.2.4 光子晶体的应用  15-17
  1.3 表面波的研究现状  17-18
  1.4 光子晶体波导的研究及进展  18-19
  1.5 光在光子晶体波导出射端的异常传输现象  19-20
    1.5.1 在端面处形成好的出射光束  19-20
    1.5.2 在出射端形成聚焦光束  20
    1.5.3 在出射端形成偏离轴线的光束或聚焦光束  20
  1.6 论文结构安排  20-22
第2章表面波基础理论及计算方法  22-35
  2.1 引言  22
  2.2 SPPs的理论模型及色散关系  22-24
  2.3 SPPs的特征长度  24-26
  2.4 波纹面调控光束的物理机理  26
    2.4.1 表面模式的形成  26
    2.4.2 传输模式的形成  26
  2.5 时域有限差分法  26-32
    2.5.1 麦克斯韦旋度方程和Yee元胞  27-30
    2.5.2 边界条件及波源设置  30-31
    2.5.3 稳定性条件  31-32
  2.6 平面波展开法  32-34
  2.7 小结  34-35
第3章基于表面波调制的波导型波分解复用器  35-44
  3.1 引言  35
  3.2 结构模型  35-36
  3.3 出射端面对聚焦光束的调控规律的研究  36-42
    3.3.1 光子晶体波导调控出射光束的物理机理  37-38
    3.3.2 波纹周期的影响  38-40
    3.3.3 波导纵向宽度对聚焦光束的影响  40-41
    3.3.4 波导宽度对聚焦光束的影响  41
    3.3.5 电介质柱半径对聚焦光束的影响  41-42
    3.3.6 电介质柱折射率对聚焦光束的影响  42
  3.4 在波分解复用器方面的应用  42-43
  3.5 小结  43-44
第4章斜面波导调控光束的研究  44-49
  4.1 引言  44
  4.2 结构模型  44-45
  4.3 斜面波导对聚焦光束的调控规律的研究  45-48
    4.3.1 斜面波导调控出射光的物理机理  46-47
    4.3.2 倾斜角调控聚焦光束的规律  47-48
    4.3.3 形成偏离轴线的聚焦光束的情况  48
  4.4 小结  48-49
结论  49-51
参考文献  51-56
致谢  56-57
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文  57-58
附录B 攻读学位期间参加的科研项目  58

基于表面波调制的新型光子晶体器件研究

内容摘要

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