带周期性微结构的耦合波导偏振分束器

摘要

偏振分束器在光通信、光传感、光学成像以及光计算等方面有着重要的应用。传统偏振分束器要么尺寸较大，不能满足高密度片上集成光学系统的需求，而且价格昂贵。要么在获得小尺寸的情况下，偏振分束器的消光比不高，并且带宽有限。针对这些问题，本文在分析了常用的四种偏振分束器的设计原理之后，提出了一种新的带周期性微结构的偏振分束器设计方案；在此基础上，使用平面波法进行数值计算，设计了两种带周期性微结构的耦合波导偏振分束器，并使用有限时域差分法对设计的偏振分束器进行了性能分析。结果表明，本文提出的带周期结构的偏振分束器的设计原理，可以有效的减小偏振分束器的长度，提高偏振消光比和增大带宽。本文的工作主要体现在以下三个方面。
　　(1)提出了一种紧凑的高消光比偏振分束器的设计原理。在分析了基于多模干涉结构、马赫曾德尔干涉仪结构、定向耦合器结构和光子晶体结构的四种常规偏振分束器的偏振分束原理，比较了他们在偏振分束性能上的优缺点后，根据定向耦合器的模式耦合理论与光子晶体的带隙理论，提出了一种带周期性微结构的偏振分束器设计原理。该原理理论上可以有效的减小偏振分束器的长度，提高偏振消光比和增大带宽。
　　(2)设计了一种非对称耦合波导偏振分束器。基于前述偏振分束器设计原理，以非对称耦合波导为核心，首先采用平面波展开法设计了非对称偏振分束器的结构参数。然后，采用有限时域差分法，验证了平面波法设计的准确性，并仿真了该偏振分束器的运行性能。仿真结果表明，设计的非对称耦合波导偏振分束器的耦合长度最小为3.43μm，带宽180 nm。在1550 nm波长时，TE偏振模式和TM偏振模式消光比分别为28 dB和18 dB。
　　(3)设计了一种对称耦合波导偏振分束器。基于本文采用的理论和设计方法，以对称耦合波导为核心，运用同样的数值计算方法设计结构并仿真性能。结果表明，获得的超紧凑型对称耦合波导偏振分束器的偏振耦合长度为4.19μm，带宽320 nm，在1550 nm通信波长时，TE偏振模式和TM偏振模式消光比分别为40 dB和20 dB。最后，与非对称的偏振分束器做了性能对比和分析说明。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 背景及意义

1.2 硅基光波导偏振分束器的研究现状

1.3 本论文主要研究工作

第2章 偏振束器设计理论和数值方法

2.1 偏振分束器的设计理论

2.2 数值方法

2.3 本章小结

第3章 非对称结构耦合波导偏振分束器

3.1 偏振分束器的结构

3.2条形波导和柱波导的能带分析

3.3偏振耦合长度

3.4 偏振分束器性能分析

3.5 本章小结

第4章 对称结构耦合波导偏振分束器

4.1 偏振分束器的结构

4.2 偏振耦合长度

4.3 偏振分束器的性能分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文和专利目录