基于光子晶体缺陷结构光子器件设计与传输特性研究

摘要

人类对新材料特性的掌握通常会引发技术上的变革，1987年，Yablonovitch和John在研究材料的辐射性质和光子局域态随折射率的变化关系时，各自独立地提出了“光子晶体”这一全新概念，发现介电常数呈周期性变化的结构会使光的传播特性发生变化，光子晶体的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。对完美光子晶体的研究迅速成为科研工作者研究的热点。缺陷光子晶体结构由于其独特的特性，也引起研究人员的高度重视。光子晶体点缺陷、线缺陷有许多实际的应用，如光子晶体激光器、光子晶体波导、光子晶体滤波器等。 采用平面波展开法、时域有限差分法、传输矩阵法等数值计算方法对光子晶体的带隙特性、透射特性、光场传输特性进行研究，在此基础上优化设计缺陷光子晶体微纳光子器件，探索光子晶体及其缺陷结构在色散分离器、全光二极管、光子晶体波导功分器、发光二极管等领域的应用，取得了一些有意义的成果。主要研究内容如下: 1、设计了一种新型一维光子晶体色散分离器，采用双棱镜作为缺陷层，与一般缺陷一维光子晶体不同之处在于，它的缺陷光学厚度是随入射面上位置的不同而不同，缺陷模波长由入射界面上的位置决定，即不同波长的光只能从入射界面上特定的位置传输，波长与位置有着对应的关系。通过研究双棱镜缺陷层的厚度、折射率对一维光子晶体传输谱的影响，发现传输谱波长在0.9λ0到1.02λ0之间与入射界面上位置成线性关系，λ0为光子晶体的本征波长。这种特性可应用于色散分离器设计，在其本征波长1814nm时，优化设计一种带宽为218nm的色散分离器，其分辨率可达0.0127λ0。 2、基于光子的隧穿效应，设计一种非对称非线性微腔结构，微腔结构由位于两个不同厚度的空气层间的普通介质材料和两个耦合棱镜构成。虽然左右两个侧面入射方向的透射谱线相同，但由于结构的非对性致使场在微腔中分布不同;因而在非线性情况下，不同入射方向表现出不同的传输特性，获得了空间单向性的光学双稳态现象。对于特定的入射频率，当光线从左侧入射时处于导通状态，从右侧入射时处于截止状态，这类似于二极管的单向传输特性，可用于实现全光二极管。 3、基于多模干涉(MMI)自成像效应(SIE)优化设计了一种新型1×2光子晶体波导分束器。设计过程中，根据多模干涉耦合区中周期出现的双重像的位置确定两个单模输出波导的位置，通过在分束器输入和输出耦合区的连结处设置介质柱，来改变输入和输出耦合区位置的模场分布，达到模式匹配，从而使分束器的反射损耗大大降低。对于波长为1.55μm的入射光，该分束器的透射率由原来的75.4％提高到93％。 4、将相互耦合的三平行光子晶体单模波导看成一个多模干涉系统，根据自成像效应产生周期性多重像的位置确定输出波导位置，通过在耦合区改变介质柱构成微腔结构，改变耦合区中的模场分布，实现模式匹配，减小分束器的反射损耗，提高功分器的透射率。设计完成带有微腔结构光子晶体波导定向耦合1×2功分器，不仅对波长为1.55μm的入射光的透射率由原来84.8％提高到99.04％，而且在1.50μm到1.60μm宽波谱范围内都具有很高的透射率。 5、基于平行光子晶体单模波导的相互耦合，设计完成新型光子晶体大角度1×3功分器，通过调节耦合区介质柱折射率或半径来改变光子晶体波导之间的相互耦合，使耦合区的电磁场的相位分布变化，从而控制三个输出端口的能量分布，当耦合区介质柱归一化半径为0.13、0.18、0.16或0.22时，这种器件分别具有1×1、1×2和1×3三种类型的分支功能。 6、采用三维时域有限差分法，基于偶极子点光源模型模拟三角晶格光子晶体LED的出光效率，通过对比不同偶极子点光源模型下极化角对光子晶体LED的出光效率影响，得出磁偶极子点光源模型下极化角对出光效率的影响明显减小，因而磁偶极子点光源模更能真实反应LED发光的实际情况，基于磁偶极子点光源模型，优化设计一种空气孔三角晶格光子晶体LED结构，使其出光效率增强因子高达4.5。采用近远场变换的方法研究其远场特性，结果表明:设计的光子晶体LED的远场能量分布集中、发散角小、方向性好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体的概念及分类

1．1．1 光子晶体的概念

1．1．2 光子晶体的分类

1．2 光子晶体的性质

1．2．1 光子禁带

1．2．2 光子局域

1．3 光子晶体的制作

1．3．1 物理方法

1．3．2 化学刻蚀方法

1．3．3 光学方法

1．3．4 胶体自组装法

1．4 缺陷光子晶体在光子器件中的应用

1．4．1 光子晶体缺陷天线

1．4．2 光子晶体波导

1．4．3 光子晶体微腔

1．4．4 光子晶体滤波器

1．4．5 光子晶体光开关

1．4．6 光子晶体光纤

1．5 本课题研究的主要内容

第二章 光子晶体带隙理论及其数值计算方法

2．1 平面波展开法

2．1．1 波动方程和本征值

2．1．2 布洛赫定理的证明

2．1．3 二维光子晶体的本征值问题

2．1．4 缩放法则和时间反演对称性

2．1．5 二维光子晶体能带结构的计算

2．2 时域有限差分法

2．2．1 二维电磁场计算

2．2．2 三维电磁场计算

2．2．3 数值稳定性与数值色散

2．2．4 边界条件与激励源

2．4 本章小结

第三章 缺陷一维光子晶体的传输特性及其应用

3．1 一维光子晶体简介

3．2 一维光子晶体数值计算方法

3．2．1 薄膜的特征矩阵

3．2．2 多层介质层的传输矩阵

3．2．3 一维光子晶体的色散关系

3．3 一维光子晶体双棱镜缺陷层新型色散分离器的优化设计

3．3．1 结构模型和传输机理

3．3．2 计算与分析

3．4 非对称非线性微腔结构全光二极管

3．4．1 结构模型和传输机制

3．4．2 线性情况下的透射谱线和场分布

3．4．3 非线性情况下的单向传输行为

3．5 本章小结

第四章 光子晶体波导分束器的优化设计

4．1 引言

4．1．1 光子晶体波导及微腔概述

4．1．2 二维光子晶体点缺陷微腔特性分析

4．1．3 光子晶体波导特性分析

4．2 光子晶体波导微腔传输特性

4．2．1 微腔中点缺陷的半径对谐振频率的影响

4．2．2 光子晶体背景材料折射率的变化对谐振频率的影响

4．3 基于自映像的光子晶体波导1×2分束器的设计

4．3．1 二维光子晶体波导多模干涉模型和理论分析

4．3．2 基于自成像效应分束器设计及性能优化

4．4 光子晶体波导定向耦合宽带1×2分束器的设计

4．4．1 平行单模光子晶体波导间的耦合特性

4．4．2 光子晶体波导定向耦合微腔1×2功分器的设计及性能优化

4．4．3 光子晶体波导定向耦合1×3功分器的设计及性能优化

4．4．4 光子晶体波导定向耦合1×4功分器的设计及性能优化

4．5 本章小结

第五章 光子晶体LED性能数值模拟

5．1 引言

5．1．1 光子晶体LED概述

5．1．2 LED光提取效率

5．2 光子晶体LED结构模型及数值计算方法

5．2．1 光子晶体LED结构模型

5．2．2 FDTD数值模拟分析方法

5．2．3 点光源模型数值计算结果分析及优化设计

5．3 光子晶体LED远场特性

5．3．1 LED近场远场变换

5．3．2 光子晶体LED远场特性影响因素分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 进一步研究与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及主持和参研项目