光子晶体光纤带隙结构及波导定向耦合特性的研究

摘要

光子晶体是一种折射率在空间周期性变化的新型光学材料，由于其具有光子带隙独特的光学性能和传光机理，人们对光子晶体的理论分析和实验研究产生了极大的兴趣。目前，关于光子晶体的研究已经成为光电子技术领域最前沿和热点项目之一。 由于光子晶体具有控制光子流动的光学特性，所以在光子晶体中引入点缺陷、线缺陷等就可以制造许多新型的光子晶体器件，例如光子晶体光纤、光子晶体波导、耦合器和光开关等等。本文的主要工作是研究光子晶体光纤的能带结构及多模干涉型光子晶体波导光器件的传光特性。 首先，文中第一章简要介绍了光子晶体的概念、研究现状和应用领域，而后利用时域有限差分法对复合三角晶格结构光子晶体具有绝对光子带隙结构进行了研究，阐明其对于光子晶体研究的基础性作用。 其次，根据光子晶体光纤具有两种不同的导光原理，在第三章和第四章分别研究了利用光子禁带效应导光的光子晶体光纤和利用全内反射导光的光子晶体光纤。在第三章中，我们利用平面波展开法对光子带隙型光子晶体光纤的带隙和光子带隙内束缚模的模场分布等特性进行了数值模拟，并对得到的计算结果进行了分析。在第四章中，采用在纤芯附近引入局部非对称性设计了两种全内反射光子晶体光纤，分别利用有效折射率法和多极法数值模拟，得到了光子晶体光纤的有效折射率、无截止单模传播、高双折射、色散特性，并对得到的计算结果进行了分析研究。 基于自映像效应是多模干涉型器件的基本工作原理，最后，第五章对普通多模干涉自映像原理进行了全面分析。利用自映像效应，提出并设计了一些新型的光子晶体波导多模干涉光器件，采用时域有限差分法和平面波展开法作为研究工具，讨论了这些光器件的设计原理和光传输特性。与传统的光学器件相比，这些光子晶体多模干涉型器件的尺寸更小，结构更紧凑，透射率更高，频带更宽、更容易实现大规模集成等特点，这些优异特性将在光子集成电路中有极大的应用价值。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 引言

1.2光子晶体介绍

1.2.1光子晶体的概念

1.2.2光子晶体的特征

1.3数值研究方法简述

1.4光子晶体的应用

1.5光子晶体光纤介绍

1.5.1 光子晶体光纤分类

1.5.2光子晶体光纤特性

1.6本论文的主要工作

第二章二维光子晶体绝对光子带隙的FDTD研究

2.1 引言

2.2时域有限差分方法(FDTD)

2.3二维光子晶体绝对光子禁带结构的数值计算

2.3.1 完整三角形结构光子晶体光子禁带

2.3.2复合三角形结构光子晶体光子禁带

2.4本章小结

第三章平面波展开法模拟PBG-PCF带隙

3.1 引言

3.2平面波展开法基本原理

3.3 PBG-PCF带隙数值分析

3.3.1 PBG-PCF结构分析

3.3.2 PBG-PCF带隙结构计算

3.4本章小结

第四章光子晶体光纤双折射特性研究

4.1 引言

4.2 PCF双折射特性

4.3 光子晶体光纤双折射理论计算方法

4.3.1有效折射率法

4.3.2 多级法

4.4芯区具有椭圆小空气孔的高双折射光子晶体光纤的研究

4.4.1物理模型分析

4.4.2空气孔间距Λ、η确定，相对孔径f不同

4.4.3相对孔径f，η确定，空气孔间距Λ不同

4.4.4模式双折射及色散特性

4.5新型六角芯光子晶体光纤的色散补偿特性

4.5.1物理模型分析

4.5.2 PCF的色散和色散斜率分析

4.6本章小结

第五章光子晶体多模干涉型光学器件特性研究

5.1 引言

5.2多模波导理论分析

5.2.1 多模干涉器件的自映像原理

5.2.2导模传输分析法

5.3光子晶体波导定向耦合光功分器

5.3.1 三平行光子晶体波导结构分析

5.3.2定向耦合光功分器的设计与优化

5.4多模干涉异质结光子晶体波导光功分器

5.4.1 正方晶格光子晶体波导多模干涉模型

5.4.2 1×3多模干涉异质结光子晶体波导光功分器

5.5定向耦合光子晶体偏振光分束器

5.5.1物理模型与数值计算

5.5.2偏振光分束器的光传播性质分析

5.6本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2存在的问题和下一步工作

致 谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果