高效波长与偏振光分束器的设计与研究

高效波长与偏振光分束器的设计与研究 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签字同期: 妒，戽占月 多,,学位论文作者签名(手写):务巧芝 学位论文版权使用 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所和中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》和《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中全文发表，并通过网络向社会公众提供信息服务。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名 签,,,,(手写):。穆旋 导师签名(玛彳叮签字同期:垆,,年 ,月 占同同期:’加,,年,月, ,, ,， ， ， ， ， ， ，，， ， ， ，， ， ， ， 摘要 ,, , ,, ,,, 摘 要 光子晶体是,,世纪八十年代由,,,,,,,,,,;,和,,,,各自独立提出的新概念和新材料。它最:基本的特征是具有“光子带隙”，由于带隙中不存在任何态，因此频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。另外，由于光子带隙的存在带来众多新的物理特性，被广泛的应用于制作全新原理的高性能光器件之中。相比传统的电子器件，光子晶体光器件具有效率高、体积小、速度更快等特点。同时，它也为光子集成、空间光电技术以及全光通信等现代高新技术提供了新材料。由于其潜在的巨大实用价值，吸引了大批物理和材料领域的学者，目前国内外光子晶体的研究呈现出欣欣向荣的局面。随着制备瓶颈的突破，光子晶体必将引发新世纪一场光子技术革命。本论文的主要研究内容如下: ,(光子晶体除具有光子带隙这个最根本的特征外，另一个主要特征便是具有光子局域特性。利用缺陷态光子晶体的光子局域和谐振特性来制作的微谐振腔可以具有很高的品质因子。基于此，我们系统介绍了微谐振腔的基本概念及性质，制作及用途。同时，利用时域有限差分法模拟和计算了光波在谐振腔中的传输行为及透射率，也给出了提高微谐振腔品质因子的一些。 ,(在二维光二子晶体中，基于光子禁带设计了一种超微波分复用器结构，该结构包括两种不同类型的晶格结构，这种结构能将,,,,,,与,,,,,,进行分离。除此之外，如果我们改变材料参数，它同样可以用来分离,, ,,,,与,,,,,,这两种波长。整个器件的尺寸不超过,,(,卢,,, ,,(,‖,。时域有限差分法计算结果表明:透射效率超过,,,。 ,(基于光波在光子晶体谐振腔中的传播特性，利用时域有限差分法，提出并分析了一种新型的超微光子晶体偏振光分束器。它主要利用光波的两偏振态对应谐振腔的共振频率不同的原理，并通过晶格的整体形变来构建高品质因子的谐振腔达到高效分离两模式的目的。通过对该结构的三角晶格光子晶体分束器的数值计算与模拟结果表明，该设计具有结构紧凑，可以实现,,模和,,模的高效分离，两种偏振光在波长,(,,“,附近透射率都达到,,,以上。并且该结构的尺寸仅为, ,‖朋, ,,‖朋，这些特性都使其在将来的集成光回路中有着潜在的应用前景。 摘要 ,(研究及分析了光波在分束结构中的传播行为和特性，发现 当增大波导邻近两侧空气孔半径时，能形成完全光子禁带范围内某一频率光波单一偏振态的传播，基于此原理提出了一种全新结构的偏振光分束器，计算与模拟结构表明，该结构可以实现,,模与,,模高效大角度分离。器件尺寸不超过,,(,,,,,,(,,,,，在集成光回路中无疑有着很大的应用潜力。关键词:光子禁带;谐振腔;点缺陷;波分解复用器;偏振光分束器;平面波展开法;时域有限差分法 ,,,,,,;,——————， —————————————————————一 —————————————————————————————————————————————,—————————————, —————————————,—————————————, ————————————————————————一 ,,,,,,,, ,,,,,,,; ;,,,,,,，,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,,,,,;, ,,, ,,,, ,, , ,,,,，,, , ,,, ;,,;,,, ,,, ,,, ,,,,,,,,,(，,, ,,,, ,,,,; ,,,,,,, ,,“,,,,,,,; ,,,, ,,,”( ,,,,, ,, ,, ,,,,, ,, ,,, ,,,, ,,,，,, ,,, ,,, ,,,;,,,,,,,,,,; ,,,, ,, ,,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,; ,,,, ,,,(，, ,,,,,,,,,,，,,,, ,,, ,,,,,;,, ,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,,,,,,; ,,,, ,,, ,,, ,,,,,, ,,,, ,, ,,, ,,,,,;,,,, ,, ,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,;, ,,,,;,, ,,,,;,,,, ,, ,,;,,(,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,,,;,,,,,; ,,,,;,,，,,,,,,,; ;,,,,,, ,,,,;,, ,,,,;,, ,,,, ,,,,,, ,,,,;,,,;,，,,,,,,, ,,,,，,,, ,,,,,, ,,,;,,,,,, ,,,, ,,;(,, ,,, ,,,, ,,,,(,, ,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,，,,,;, ,,,,,,,,;,,,; ,,;,,,,,,, ,,, ,,, ,,,,;,, ;,,,,,,;,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,, ,,,,, ,,,,—,,;,(,,;,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,,,,,,,, ,,,;,,;,, ,,,,,，,,,,,,,;,, ,, ,,,,,;, ,,, ,,,,,,,,, ,;,,,,,,，,,, ,,,,,,;, ,,,,, ,,,,, ？,,,,,,,,, ,,,,,,,,,; ;,,,,,,, ,,,,,,, , ,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,, ,,,, ,,, ,,,,,,(,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,,,,,,,;, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,，,,,,,,,; 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,,,,,,,,,, ;,,;,,,,(,,,,,,,,:,,,,,,,; ,,,, ,,,;;,,,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,, ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, ,,,, ,,,,,,,,;,,,;,,,, , 目录 目 录第,章 绪论…………………………………………………………………………, ,(,光子晶体的基本概念及其性质……………………………………………?, ,(,光子晶体的理论研究方法…………………………………………………?, ,(,(,平面波展开法…………………………………………………………, ,(,(,有限时域差分法…………? ?,(,光子晶体波长和偏振光分束器的研究现状………………………………?, ,(,本论文的研究内容及创新点………………………………………………?,第,章光子晶体微谐振腔特性的研究……………………………………………, , ,(,光子晶体微谐振腔的性质…………………………………………………,, ,(,光子晶体微谐振腔品质因子的计算方法…………………………………,, ,(,光子晶体微谐振腔的制作与用途…………………………………………,, ,(,(,光子晶体微谐振腔的制作………………………………………………,, ,(,(,光子晶体微谐振腔的用途………………………………………………,, ,(,本章小 结…………………………………………………………………………,,第,章基于光子禁带波分复用器的设计与研究…………………………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………, , ,(,设计与分析…………………………………………………………………,, ,(,模拟 与结果…………………………………………………………………,, ,(,本章小结…………………………………………………………………………………………(,,第,章基于微型谐振腔偏振光分束器的设计与研究……………………………,, ,(,引言…………………………………………………………………………,, ,(,结构设计与分析……………………………………………………………,, ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第,章新型高效偏振光分束器的设计与研究……………………………………,, ,(,引 言…………………………………………………………………………………………………,, ,(,结构原理与分 析……………………………………………………………,, ,, 目录 ,(,模拟与结果…………………………………………………………………,, ,(,本章小结……………………………………………………………………,,第,章总结和展望…………………………………………………………………,, ,(,全文工作结论………………………………………………………………,, ,(,未来工作展望………………………………………………………………,,致 谢……………………………………………………………………………………………………………??,,参考文 献……………………………………………………………………………?,,攻读学位期间的研究成果…………………………………………………………?,, ,，， 第,章绪论 第,章绪论,(,光子晶体的基本概念及其特性 自, ,世纪, ,年代开始，以半导体为代表的具有电子能带结构的微电子材料的发展直接引发了电子信息工业革命。微电子材料的出现对各个领域都产生了革命性的影响，大规模集成电路、计算机、信息高速公路等等已成为当今社会的重要组成部分， 信息产业已成为发展最迅猛的产业。因此，从某种意义上说，我们所处的时代是半导体时代，因为半导体技术不仅广泛应用于各个领域，而且也极大的影响了人们的生活和思维方式。半导体器件到如今可以说已经到了登峰造极的地步。 电子是自旋为,,,的费米子，电子之间有很强的相互作用。随着集成电路集成度的不断提高，由于电子的相互作用所造成的一系列技术和物理的限制将不可避免地出现，半导体的速度和集成度也濒临极限，以电子为信息载体的信息技术的发展遭遇到了“电子瓶颈”。即当器件达到纳米尺寸时，电子的运动受量子效应的影响将十分明显，此时电子与电子之间的相互作用力便不可忽略。与电子不同的是，光子是自旋为,的玻色子，并且光子之间没有相互作用，除此之外，其还有电子所没有的优势:传播速度极快、频率很高。显然，光子器件将具有极短的响应时间、较宽的频带、良好的空,白,相容性和极强的抗干扰能力，而利用光子作为信息载体，必然可实现信息的超高速处理，而这些特点都符合人们对未来光电器件发展的趋势和要求。因而可以毫不夸张地说，光子器件的诸多特性必将对未来的光半导体、光通信、微波通信及光电子集成产生重大而深远的影响。 于是，人们就设想是否可以，以光子作为信息的载体，充分发挥光子的优越性，找到一种器件或材料，像利用半导体控制电子一样自如地控制光子，进而制造出像集成电路一样的集成光路。没有让人们感到失望，一种名为光子晶体的材料应运而生，由于它类似于集成电路中的半导体材料，它的出现使 集成?饴烦晌 恢挚赡埽 佣 萌嗣强吹搅宋蠢醇 晒庋У氖锕狻?光子晶体【,。，,是八十年代末提出的新概念和新材料。,,,,年，,(,,,,,,,,,,;,在讨论如何抑制自发辐射时提出光子晶体这一新概念。而几乎同时，,(,,,,在讨论光子局域时也独立将其提出。光子晶体是一种介质的介电常数周期变化的人工( 第,章绪论,一微结构材料，其典型的结构为一个介电常数周期变化的三维物体，周期为光波长量级。根据周期结构几何构型的不同，光子晶体可分为一维、二维和三维光子晶体〔,,，如图,(,所示。 驴 (,) (,) (,) 图,(,(,)一维;(,)二维;(;)三维光子品体结构不意图 众所周知，电子在周期势场中传播时会受到周期势场的布拉格散射，进而形成能带结构。对于电磁波或者光波，只要受到周期性调制，都有能带结构，也都有可能出现带隙。换言之，类似于电子在半导体材料中周期性势场作用下形成的能带结构，电磁波在不同介电常数的介电材料构成的周期结构中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构称作光子能带，能带与能带之间可能会存在带隙，也即“光子带隙”【,,，能量落在带隙中的波是不能传播的。所谓一维光子晶体，其带隙结构只可能在一个方向上存在，二维的光子带隙则可能在两个波矢方向上存在，三维可能在所有方向上存在带隙结构。 如上所述，光子晶体的禁带效应显然给了人们局限光的能力。我，,,,,,道，在传统晶体中掺入杂质或引入缺陷时，可以有效的限制电子的运动;同理，在光子晶体中以某种规律使原有的周期性或对称性受到破坏，也相当于掺杂或引入缺陷，和缺陷态或杂质态频率相吻合的光子也会被限制在特定的位置，一旦偏离缺陷位置光就将迅速衰减，这便是光子局域特性。如果引入的是点缺陷，则可以做成高品质因子的谐振腔;如果引入线缺陷，则可以做成光波导;当引入的是平面缺陷时，则可以用作平面波导或平面谐振腔，如图,(,所示。显然，“光子局域”使我们有导引光的可能。利用缺陷态岭，,,，人们可以随心所欲的控制光子的流动。例如，近年来提出的光子晶体光纤，其中一种导光机制就是利用了光子晶体的缺陷态。 第,章绪论 图,(,(,)点缺陷;(,)线缺陷;(;)面缺陷 除此之外，光子晶体还有许多其他的物理性质和现象，如光的负折射效应、超棱镜效应、双折射现象、能量转移、光双稳态、光多稳态、光子压缩态等特性。随着对这些新现象认识的不断深入及光子晶体制造技术的持续进步，光子晶体更多的用途将会不断的被发现。,(,光子晶体的理论研究方法 时至目前，人们已经发展出多种理论方法来分析及研究光子晶体，其中主要有:平面波展;千法(,,,,, ,,,, ,,,,,,,,,，,,,)〔,,、时域有限差分法(,,,,,,,,,,,,,,;, ,,,, ,,,,,,，,,,,)峭，,、格林函数法(,,,,, ,,,;,,,, ,,,,,,，,,,)〔,,〕、传输矩阵法(,,,,,,,, ,,,,,, ,,,,,,，,,,)〔,,】、多重散射法(,,,,,,,,,;,,,,,,,, ,,,,,,，,,,)〔,,,等。这些方法大多以麦克斯韦方程为基本工具，在不同的条件下，用不同的方法求解麦克斯韦方程，从而确定光子晶体中光子的能带结构及运动状态。鉴于本论文研究计算时所采用的计算方法，下面将主要介绍平面波展开法和时域有限差分法。,(,(,平面波展开法 平面波扩展法是光子晶体的常规算法，它是诸多光子晶体算法中提出最早、应用最广泛的算法。该方法具有概念清晰、通用性强、结果完整等优点。在实际应用中，它通常又有两种形式，一种是所谓的常规平面波展开法， 另一种是,,等人提出的平面波方法。鉴于光子晶体结构的周期性特点，因此在计算时，我们只需要通过对一个光子晶体的原胞进行计算便可以得到整个光子晶体的能带结构。平面波展开法的核心思想为:先把光子晶体的介电常数根据周期性展开成傅罩叶级数;同时把电磁场在倒格矢空间以平面波叠加的形式展开;然后将两者的展开代入光子晶体主方程，从而将该波动方程转化为矩阵形式的本征方程;沿着不可约布里渊区边界计算方程的本征值就可以得到光子晶体的能带结构。基于此指导 第,章绪论思想，,段议光于晶体处在尢源至，司，并且组成光予晶体的介质为各向,司性无耗非磁性介质，在空间中磁场为时谐场的情况下，化简电磁波在介质中的传播方程，可以得到一组描述电场和磁场强度的传播方程: 习，?,,,,,(啦二鼬) (,(,) ,×(—,, 、,(,) ,×膏(厂)),,—,, ?晗觯穑?.