二维光子晶体波导耦合器开关特性的FDTD研究

摘要

光子晶体的光子局域特性，能够实现人为的控制光的流动，使得光子晶体光开关器件具有传统的光开关器件所不具有的优势。光子晶体光开关与传统光开关器件相比，在开关的结构、速度、可靠性、功耗、可扩展性等各方面都具有很大的优势，这使其成为未来集成光路元件的理想选择。本文针对二维光子晶体波导耦合器型全光开光进行了研究，主要内容包括： 1、利用时域有限差分法（FDTD），讨论了常见的两种二维光子晶体的结构，以及不同的晶格常数、介质柱半径对禁带位置、带宽和透射结果的影响。 2、对二维光子晶体线缺陷波导进行了多方面研究，包括： 以正方晶格二维光子晶体为例，对其线缺陷波导结构的传输特性进行模拟，得到不同频率入射光的传输特性。同时对90°弯曲波导的光传输特性进行模拟，证明了其光传输的低损耗性。 讨论了二维光子晶体波导耦合的结构、原理、及耦合功能的实现。选择适合的器件长度可以实现耦合波能量在波导间的来回传递。同时设计了一种特定结构的耦合器，可以实现不同频率光的定向耦合功能。根据不同的需求可以调整光子晶体耦合器的结构及参数设计。 3、讨论了一种二维光子晶体波导耦合器型全光开关，并用FDTD对其能带及传输特性进行了研究。数值计算表明，适合的耦合系数与长度，可以实现光传输的开关作用，减小耦合长度会降低带宽。同时还建立了非线性的FDTD模型，对此类结构光开关的非线性吸收效果进行了研究，发现非线性双光子吸收效应会对光开关的作用效果产生一定影响，这为将来此类光开关器件的设计提供了一定的理论依据。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1论文的研究背景

1.1.1光子晶体的研究现状与发展

1.1.2光子晶体的特性及应用

1.1.3光子晶体光开关的应用

1.2光子晶体光开关的研究进展

1.2.1光子晶体光开关的实现方法

1.2.2光子晶体耦合波导光开关的研究历史与发展

1.2.3光子晶体光开关的研究前景及存在的问题

1.3本论文的主要工作

第二章FDTD理论模型

2.1光子晶体的理论分析方法简述

2.1.1平面波展开法(PWE)

2.1.2时域有限差分法(FDTD)

2.1.3传输矩阵法(TMM)

2.1.4 N阶法(Order N)

2.1.5多重散射法

2.2 FDTD在模拟光波导方面的优势和进展

2.3 FDTD数值建模

2.3.1 FDTD的差分格式

2.3.2 Yee氏网格

2.3.3电磁场Maxwell方程组

2.3.4 Maxwell旋度方程的差分形式

2.3.5二维情况下的FDTD

2.3.6数值稳定性条件

2.3.7吸收边界条件

2.3.8激励源

2.4本章小结

第三章二维光子晶体波导的FDTD模拟研究

3.1二维光子晶体的特性研究

3.1.1两种基本结构

3.1.2能带特征

3.1.3能带结构变化规律研究

3.2二维光子晶体波导的特性研究

3.2.1光子晶体线缺陷波导

3.2.2光子晶体波导的特性

3.2.3光子晶体光波导器件

3.3光子晶体波导耦合器

3.3.1光子晶体波导定向耦合器的基本结构

3.3.2光子晶体波导定向耦合原理

3.3.3实现定向耦合功能的设计

3.4光子晶体波导定向耦合器的应用

3.5本章小结

第四章二维光子晶体波导方向耦合全光开关

4.1引言

4.2光子晶体定向耦合器型全光开关

4.2.1基本结构

4.2.2光开关功能的实现

4.2.3讨论

4.3定向耦合器型全光开关中的双光子吸收效应

4.3.1基本结构

4.3.2考虑非线性吸收的FDTD方法

4.3.3数值计算与分析

4.3.4结论

4.4本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

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