二维光子晶体缺陷间的耦合及光开关研究

摘要

光子晶体的介电常数在空间中周期性排列,它最显著的特征是光子带隙和局域特性,光波在禁带中不能传输的,使其能像半导体控制电子一样控制光子的流动,近年来吸引了很多科研工作者的兴趣。在完整的光子晶体中引入缺陷形成的波导和微腔是构成光学器件的基本元件,光子晶体光学器件具有结构紧凑、易集成及传输损耗小等特点,近年来得到持续的发展。波导之间的耦合能改变光波的传输方向,在耦合区域引入异质结构,能实现了光开关功能的独立性。本论文主要做以下几方面的工作:
　　 1.分析了二维正方晶格及三角晶格介质柱光子晶体TE偏振模式的禁带分布图,并且分析了二维光子晶体缺陷态的分布。对正方晶格和三角晶格的点缺陷进行模拟,计算出谐振腔对应的谐振频率,画出对用的电场分布图,为滤波器的设计提供了便利。
　　 2.根据耦合模理论研究两波导间的耦合特性,计算出波导之间的耦合长度,进而设计相对应的定向耦合器。通过分析波导之间的耦合特性,改变耦合区域介质柱的折射率和半径,可以设计多种基于光子晶体波导的波分复用系统。
　　 3.首先研究光子晶体微腔与波导的耦合作用,利用时域耦合模理论和导模共振理论计算光波在微腔中的传输特性,通过模拟计算出微腔的中心频率。然后计算出波导和谐振腔的相互作用得到的高品质因子的滤波器结构。
　　 4.通过两个相邻并平行的波导建立一个基于光子晶体定向耦合的光开关模型。首先是讨论并分析利用定向耦合波导实现光开关功能的特性,然后引入异质结构,通过时域有限差分法分析异质结耦合波导的位置对开关功能的影响。结果表明异质结耦合波导的耦合效应具有整体性,波导中异质结构的位置变化不改变光开关的功能。