可实现宽带光隔离的一维磁光子晶体结构研究

摘要

在一维光子晶体中加入磁光介质缺陷所构成的一维磁光子晶体，在外加磁场作用下，利用光子晶体的光子禁带和光子局域特性，可增强磁光介质的法拉第旋光效应。一维磁光子晶体在实现大的法拉第旋转角的同时具有高的透射率。目前用于磁光隔离器的块状磁光介质，在厚度最少达到450微米的条件下，法拉第旋转角才可达到45度，无法满足磁光隔离器集成化的要求。用一维磁光子晶体代替目前商用磁光隔离器中的块状磁光介质作为法拉第转子，不仅可以实现45度的法拉第旋转角，还大大减小了法拉第旋转器的尺寸，同时入射光的透射率还很高，为光隔离器的集成化提供一种新思路。
　　现有可实现光隔离的一维磁光子晶体结构，主要存在着:(1)光谱响应极窄，只能适用于中心波长处，当光源波长在中心波长附近波动和在宽带通信时无法应用;(2)包含光学薄膜层数较多，在实际应用中不易制备;(3)实现宽带范围内光谱平坦性欠佳，影响了磁光隔离器的工作性能等问题。
　　基于上述对可实现光隔离的一维磁光子晶体结构的研究，本论文在详细推导4×4传输矩阵法之后，主要研究内容和研究结果可概括为:
　　1、分析(H/L)n/M/(L/H)m/M/(H/L)m/M/(L/H)n和(H/L)n/M/(L/H)m/M/(H/L)n/M/(L/H)n/M/(H/L) m/M/(L/H)n两种一维磁光子晶体结构在选用不同材料时的光隔离特性。得到:结构一用43层光学薄膜在中心波长附近0.95nm范围内实现了光隔离;结构二用73层光学薄膜在中心波长附近0.85nm范围内实现了光隔离，与结构一相比，结构二具有更高的透射率和更平坦的光谱。相对现有在中心波长附近实现光隔离的一维磁光子晶体结构，结构一和结构二包含光学薄膜层数较少，可用来实现中心波长附近小范围内的光隔离。
　　2、将上述(H/L)n/M/(L/H)m/M/(H/L)n/M/(L/H)n/M/(H/L)m/M/(L/H)n结构作为基本结构，分析在选用不同材料时由其组合得到复合结构的光隔离特性。得到:复合结构一用83层光学薄膜实现了3.5nm的宽带光隔离，相对现有可实现3.5nm的宽带光隔离的一维磁光子晶体结构，复合结构一包含光学薄膜层数较少;复合结构二用125层光学薄膜实现了2.5nm的宽带光隔离，与复合结构一相比，复合结构二具有更高的透射率和更平坦的光谱;复合结构三用125层光学薄膜实现了3nm的宽带光隔离，其透射率曲线的平坦性优于复合结构二;复合结构四用115层光学薄膜实现了1nm的宽带光隔离，此结构无需调节外加磁场角度即可实现光隔离。
　　3、分析线性偏振光通过上述复合结构所实现的宽带透射谱。得到:线性偏振光通过上述复合结构可实现的宽带光隔离，是因为左右旋圆偏振光两本征态在通过上述复合结构都可实现宽带光隔离。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体简介

1．2 光子晶体的主要特性

1．2．1 光子禁带

1．2．2 光子局域

1．3 光子晶体的应用

1．4 本文的主要工作

第二章 光隔离器

2．1 磁光隔离器

2．2 光隔离器的应用

2．3 集成光隔离器的优点

2．4 用一维磁光子晶体实现集成光隔离器的研究

第三章 一维磁光子晶体光隔离特性的理论研究

3．1 光子晶体能带特性的数值模拟方法

3．2 光通过一维磁光子晶体的传输矩阵理论

3．2．1 光通过一维磁光子晶体前后的状态矢量

3．2．2 传输矩阵

3．2．3 法拉第旋转角和透射率的表达式

3．2．4 宽带范围内透射谱平坦性的描述

第四章 可实现光隔离的一维磁光子晶体结构

4．1 引言

4．2 两种基本结构的光隔离特性分析

4．2．1 基本结构一的光隔离特性

4．2．2 基本结构二的光隔离特性

4．3 本章小结

第五章 可实现宽带光隔离的一维磁光子晶体结构

5．1 引言

5．2 四种复合结构的光隔离特性分析

5．2．1 复合结构一的光隔离特性

5．2．2 复合结构二的光隔离特性

5．2．3 复合结构三的光隔离特性

5．2．4 复合结构四的光隔离特性

5．3 宽带透射谱分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文