二維光子晶體的色散和波導(dǎo)耦合特性及其應(yīng)用.pdf

1、光子晶體是近十幾年來發(fā)展起來的一種新興人工材料，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。光子晶體最基本的特征就是具有光子帶隙(photonic band gap，簡稱PBG)，落在帶隙中的光波被禁止傳播，它提供了一種全新的控制光流的機(jī)理。光了晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，它能夠呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖不具備的特性。二維光子晶體光波導(dǎo)(PCW)是實(shí)現(xiàn)新型光子集成(PIC)最為重要的元件之一，它是通過在完整光子晶體中引入線缺陷而形成的，對于原來對完整光

2、子晶體不透明的禁帶中的光可以沿著線缺陷傳播，因此在光通訊和光集成等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。 本論文運(yùn)用平面波法和有限時(shí)域差分法，從理論上對光子晶體光纖的色散特性和二維光子晶體的波導(dǎo)耦合特性及其應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要做了以下幾個(gè)方面的理論研究工作： 第一章，介紹了本課題研究的意義和現(xiàn)狀、光子晶體的概念、特性及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀。詳細(xì)闡述了光子晶體光纖的概念、分類、導(dǎo)光機(jī)理和光子晶體光纖的色散特性。 第二章，基于自成像多模

3、干涉效應(yīng)，本章提出了一種二維光子晶體分束器，用時(shí)域有限差分法和平面波展開法作為研究工具，TM模為研究對象，數(shù)值計(jì)算和分析了這種分束器的特性。結(jié)果表明，這種分束器每個(gè)輸出端的反射率低于0.002，透射率可高達(dá)0.498，造成這種現(xiàn)象的物理原因是多模干涉區(qū)的自成像效應(yīng)。這種多模干涉在光子晶體光學(xué)集成電路中具有重大的潛在應(yīng)用價(jià)值。 第三章，在完整的二維光子晶體中引入線缺陷，就形成了光子晶體波導(dǎo)。將七平行光子晶體單模波導(dǎo)的相互耦合看成一

4、個(gè)多模干涉系統(tǒng)。在多模干涉系統(tǒng)中，本征模的色散曲線相交并出現(xiàn)簡并模，簡并模之間存在強(qiáng)烈耦合并導(dǎo)致模式的分布方式重新發(fā)生變化。此外，基于自成像效應(yīng)的波導(dǎo)多模偶合，提出了一種二維光子晶體波導(dǎo)四端口分束器。采用時(shí)域有限差分法和平面波法作為研究工具，以TE模為研究對象，從理論上分析了這種器件的特性。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)柱半徑R，來改變耦合區(qū)電磁場的相位分布，從而控制四個(gè)輸出端口的能量分布。這種裝置為光子晶體波導(dǎo)中制造N端口分束器提供了一種新的

5、方法。 第四章，為了研究雙芯光子晶體光纖(photonic crystal fiber，PCF)的帶隙和色散特性，本章首先采用平面波展開法計(jì)算了雙芯光子晶體光纖的帶隙特性，結(jié)果表明當(dāng)相對孔徑d/L≥0.2時(shí)，歸一化傳播常數(shù)β L的增大，導(dǎo)致光子禁帶寬度增加，利用空氣導(dǎo)光的工作波長范圍越大。其次，采用全矢量模型分析了雙芯PCF的色散特性，得到了通過適當(dāng)調(diào)整光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以獲得靈活的色散特性的結(jié)果。隨著相對孔徑和孔距的增大，零色

6、散點(diǎn)向短波長方向移動(dòng)。本研究結(jié)果為制作高效傳輸光信號(hào)和高性能的保偏光纖提供了一個(gè)有效途徑。 第五章，光子晶體波導(dǎo)分束器是集成化光學(xué)電路的重要組成元件。用時(shí)域有限差分法研究了線缺陷1×4光子晶體分束器的特性。研究表明，輸出端的透射傳輸特性隨入射光的波長和分支的幾何形狀有關(guān)，并且入射波分別相等地流入四個(gè)輸出端口。為了減少1×4分束器在三個(gè)Y型分支區(qū)的反射，我們可以通過調(diào)節(jié)在分支區(qū)的可調(diào)介質(zhì)柱的半徑R，使每個(gè)輸出端口輸出很高的透射率。