二维光子晶体波导出射光集束及偏转的相关研究

摘要

光子晶体(Photonic Crystal)作为一种新型的人工光学材料，是现在光与电磁波研究中的一个热门研究对象。由于光子晶体拥有带隙结构，因此光子晶体能更好的控制光的传播。基于此原理开发的光子晶体波导能做到只有十几个波长量级的尺寸，而且能实现许多传统光学器件无法实现的功能。然而作为亚波长波导，因为衍射极限的存在，光子晶体波导的出射光会发散到各个方向，没法加以应用。因此光子晶体波导出射光场的空间控制成为了光子晶体器件开发的一个重要研究方向。本文从引入点缺陷和加工表面结构两种基本思路出发，分别讨论了通过共振腔机制和表面波机制实现的二维光子晶体波导出射光场集束及偏转现象及形成机理，比较两种机制各自的优点和局限性，给出了结构的优化方案，并利用计算机数值模拟了相应设计的结果。最后一章中，我们提出了一种新型的三角元胞光栅结构，利用非对称光栅结构耦合表面波到自由空间实现调制功能的原理，可以在尽可能小的尺度内实现二维光子晶体波导出射光场大角度的偏转及方向性出射。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1光子晶体

1.1.1什么是光子晶体

1.1.2光子晶体的结构和分类

1.1.3光子晶体的特性与应用

1.2光子晶体的计算方法

1.2.1传递矩阵法(TMM)

1.2.2平面波展开法(PWM)

1.2.3时域有限差分法(FDTD)

1.2.4二维多重散射法(layer-KKR)

1.2.5有限元法(FEM)

1.3光子晶体波导及其在光通信技术中的应用

1.4光子晶体中的表面波

1.5本文的内容安排

第二章光子晶体的数值计算方法

2.1光子晶体电磁理论基础

2.1.1 Maxwell方程

2.1.2光子带隙

2.2平面波展开法(PWM)

2.3时域有限差分法(FDTD)

2.3.1 Yee迭代算法

2.3.2 Yee迭代算法的稳定条件

2.3.3 Yee迭代算法的数值色散

2.3.4完全匹配吸收层(PML)

2.3.5激励源的设置

2.4有限元法(FEM)

本章小结

第三章二维光子晶体波导出射光的集束

3.1二维光子晶体波导结构参数

3.1.1 Maxwell方程的尺度不变性

3.1.2平面波展开法求解光子晶体能带的实例分析

3.1.3二维光子晶体波导结构

3.2利用点缺陷实现的出射光集束。

3.2.1点缺陷的缺陷态分析

3.2.2加入点缺陷的集束现象分析

3.2.3缺陷态的选择

3.2.4引入点缺陷结构实现集束的优劣分析

3.3利用表面波耦合实现的出射光集束

3.3.1表面波及其分析方法

3.3.2光栅层的设计及作用

3.3.3利用表面波及光栅结构实现集束现象的优劣分析

本章小结

第四章二维光子晶体波导出射光场的偏转

4.1利用单边点缺陷实现出射光偏转。

4.1.1单边点缺陷的设计与结论分析

4.1.2进一步的研究

4.2利用表面光栅结构实现出射光偏转

4.2.1表面光栅结构的设计理念及研究现状

4.2.2三角元胞光栅的设计与计算结果分析

本章小结

第五章总结与展望

参考文献

提交的论文

致谢