基于鈮酸鋰薄膜的寬帶光子晶體負(fù)折射偏振分束器研究.pdf

1、早在1968年，Veselago(前蘇聯(lián)，物理學(xué)家)在理論層次上剖析了電磁波在介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ均為負(fù)數(shù)的材料中的傳播現(xiàn)象。之后，EliYablonovitch（bell laboratory)和Sajeev John（Princeton University)便提出了一種在一定的頻譜范圍內(nèi)存在帶隙的周期性介電結(jié)構(gòu)(periodic dielectric structure)，這便是光子晶體的概念的提出，這一年為1987年。光子晶體作

2、為不同折射率的介質(zhì)按照一定的周期性進(jìn)行規(guī)律性的排列形成的人工微結(jié)構(gòu)，基于其光子帶隙和光子局域的特點，已受到人們的廣泛關(guān)注。
　　鈮酸鋰作為一種具備400nm5500nm的透射光譜寬度的非線性材料，在遠(yuǎn)程通信以及光學(xué)通信中具備較大的通信帶寬，被定義為“光學(xué)硅材料”，在集成光學(xué)系統(tǒng)中的地位舉足輕重，被廣泛應(yīng)用于波長轉(zhuǎn)換器(wavelength converters)、光學(xué)邏輯門(optical logic gates)中，特別是可利用

3、自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(spontaneous parametric down conversion，SPDC)實現(xiàn)量子極化源(quantum polarization sources)。傳統(tǒng)的鈮酸鋰晶體光學(xué)器件的尺寸一般在1cm或者更大，由于尺寸過大，使得傳統(tǒng)的鈮酸鋰晶體光學(xué)器件在集成光路中的運(yùn)用受到了一定的限制。因此越來越多的研究目光聚焦在鈮酸鋰光子晶體器件中。
　　本文提出了基于光子晶體的新型光子學(xué)器件—光子晶體偏振分束器，對課題的

4、研究意義及相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和背景進(jìn)行了綜述，同時對一些關(guān)鍵原理及技術(shù)進(jìn)行了研究分析，設(shè)計出了基于負(fù)折射鈮酸鋰光子晶體偏振分束器，利用自帶平面波展開法（PWE)和有限差分時域法(FDTD)的Rsoft CAD軟件，分析了TE模和TM模的禁帶結(jié)構(gòu)，模擬了偏振分束器的工作模式狀態(tài)，對所提出的偏振分束器的結(jié)構(gòu)和特點進(jìn)行研究分析，具體的研究工作內(nèi)容主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
　　首先本文中采用的是低折射率背景高折射率柱型鈮酸鋰光子晶體結(jié)構(gòu)模型，

5、采用60鍥形角度，利用了不同模式在光子晶體中的禁帶結(jié)構(gòu)以及傳播行為的不同實現(xiàn)偏振分束的效果，設(shè)計出了高透過率的長帶寬的偏振分束器，使TE模和TM模分離角度為90，在滿足TE模和TM模的透光率均達(dá)到80%以上的條件下，光子晶體偏振分束器在1.55μm通訊波段下的角度帶寬為8，固定入射角度情況下的波長帶寬為70nm，具有偏振消光比高和透射率高的特點。
　　其次我們對比了基于鈮酸鋰和硅材料光子晶體的偏振分束器的不同，研究發(fā)現(xiàn)由于鈮酸鋰與

6、空氣的折射率相差較小，因此入射光束在光子晶體中傳播時能量損耗較小，同時光束在基于硅材料光子晶體的表面更容易發(fā)生發(fā)射，從而造成更大的能量損耗。
　　最后我們對鈮酸鋰薄膜的光子晶體偏振分束器進(jìn)行分析，固定入射角為28，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)鈮酸鋰薄膜厚度從700nm以50nm為間隔變化到900nm時，當(dāng)TE模和TM模的透光率均達(dá)到80%以上時，TE模和TM模的中心波長向著波長增大的方向漂移，偏振分束器的波長帶寬隨著鈮酸鋰薄膜厚度的增加也不斷增加。