光子晶体波导输出光分束与准直新结构设计及特性研究

摘要

基于光子晶体的禁带特性和自准直效应开发的光子晶体线缺陷波导和自准直波导,在光子晶体研究领域中占有非常重要的地位。对于基于光子晶体器件的光集成,光通信以及光传感技术,光子晶体波导都是最基本的器件,也是设计其它各种光子晶体器件的基础。在实际应用中,为了更好的把光子晶体波导器件同其它多个光学器件或一个光学器件进行耦合,需要对波导输出光进行分束或准直。因此,如何实现光子晶体波导输出光的分束或准直,是光子晶体器件开发时的一个重要研究方向。本论文把光子晶体线缺陷波导与自准直波导作为研究对象,通过数值模拟与理论分析相结合的方法,探索对输出光进行分束和准直的方法。
　　采用平面波展开法结合超原胞技术,数值研究了光子晶体-空气界面以及光子晶体-光子晶体界面的表面模色散关系,得到了光子晶体-空气界面非耦合表面模特性随表面修饰介质柱半径的变化规律,以及光子晶体-光子晶体界面耦合表面模特性随表面修饰层之间的距离和表面修饰介质柱半径的变化规律。研究结果为本文中表面结构的设计奠定了基础。
　　利用修饰光子晶体输出表面与引入点缺陷相结合的方法,设计出了一种新型的光子晶体线缺陷波导输出光分束结构。通过数值模拟与理论分析相结合的方法对修饰输出表面与引入点缺陷的作用进行了分析。在此基础上，利用时域有限差分法数值模拟了所设计分束结构的输出场特性,并研究了输出空间中光束的数量随着点缺陷位置的变化规律。研究结果表明,当点缺陷之间的距离为晶格周期的2n倍时,在输出空间中出现n束光。利用相干点光源之间的干涉原理对数值研究的结果进行了很好的解释。此外,还进一步研究了输出表面上被修饰的介质柱个数对输出光强度和强度比的影响;研究了次输出表面层上两个额外的点缺陷对输出各光束的增强特性。
　　利用分支波导与附加修饰相结合的新方法,实现了光子晶体线缺陷波导输出光的分束。利用时域有限差分法对分束现象进行了模拟,并用干涉原理对模拟结果进行了很好的解释。通过在光子晶体中设计双分支波导结构,实现了输出光的1到 N(奇数)分束。系统地研究了N的大小随双分支间距与入射光波长之比的变化规律,并分析了只能实现奇数条分束的原因。通过在双分支波导结构的一个分支中引入附加修饰的方法,实现了输出光的1到 M(偶数)分束,对引入附加修饰的作用进行了理论分析。为了说明设计方法的灵活性,又进一步对具有附加修饰的三分支波导结构的输出场分束特性进行了研究。
　　通过激发光子晶体-空气表面波、光子晶体-光子晶体表面波相结合的方法,设计出了一种由表面修饰光子晶体组成的新型复合结构,该结构对不同频率的入射光,能够实现光束的T型、Y型和L型传输。光束T型和L型传输时,输出光是在光子晶体表面上传播的。基于该设计方法,能够制作出比传统的T型和L型波导面积更小的光子晶体表面波波导。用平面波展开法对该新型复合结构的色散关系进行了研究,得到了复合结构实现光束的T型、Y型和L型传输时的频率范围。用时域有限差分法模拟了光束的T型、Y型和L型传输现象,通过对结果分析得到了输出光强度的变化规律。
　　提出在光子晶体自准直波导后引入双层介质柱的新方法,实现了自准直波导输出光的准直传输,解决了输出光严重发散的问题。通过分析光子晶体自准直波导结构的等频率曲线,以及双层介质柱结构实现自准直的原理,得到了由光子晶体自准直波导与双层介质柱构成的新型复合结构,实现了光子晶体自准直波导输出光的高效准直传输。数值模拟结果表明,输出光的发散角为6°,透射效率为68％。此外,还进一步研究了自准直波导与双层介质柱之间距离对输出场特性的影响。

目录

光子晶体波导输出光分束与准直新结构设计及特性研究

DESIGN AND PROPERTY RESEARCH ON ANEW STRUCTURE REALIZING SPLITTING ANDDIRECTION EMISSION OF PHOTONIC CRYSTALWAVEGUIDES OUTPUT

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 光子晶体

1.3 光子晶体波导

1.4 光子晶体线缺陷波导出射光分束及准直的研究状况

1.5 光子晶体自准直波导出射光准直的研究状况

1.6 本文的主要研究内容

第2章 光子晶体表面模色散关系的理论研究

2.1 光子晶体的数值研究方法

2.2 光子晶体-空气界面表面模的数值研究

2.3 光子晶体-光子晶体界面表面模的数值研究

2.4 本章小结

第3章 表面修饰结合点缺陷光子晶体波导的分束特性研究

3.1 光子晶体波导结构的输出特性

3.2 表面修饰后的辐射场特性研究

3.3 表面修饰结合引入点缺陷实现出射光分束的研究

3.4 本章小结

第4章 分支波导结合附加修饰光子晶体的分束特性研究

4.1 二维光子晶体双分支波导结构的1—N（奇数）分束特性

4.2 有附加修饰的光子晶体双分支波导的1—M（偶数）分束特性

4.3 有附加修饰的光子晶体三分支波导的1—N 分束特性

4.4 本章小结

第5章 表面修饰光子晶体复合结构的输出光特性研究

5.1 表面修饰光子晶体复合结构模型设计

5.2 表面修饰光子晶体复合结构的T 型分束特性研究

5.3 表面修饰光子晶体复合结构的Y 型分束特性研究

5.4 表面修饰光子晶体复合结构的L 型传输特性研究

5.5 本章小结

第6章 结合双层结构的光子晶体自准直波导的准直特性研究

6.1 光子晶体自准直波导的传输特性

6.2 双层介质结构实现输出光准直的原理

6.3 光子晶体结合双层介质结构实现输出光准直的研究

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权说明

致谢

个人简历