二維光子晶體波導(dǎo)的輸入輸出耦合特性研究.pdf

1、隨著理論和技術(shù)水平的發(fā)展，亞波長光子結(jié)構(gòu)得到了廣泛而深入的研究，為集成全光系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。但隨著光子結(jié)構(gòu)的縮小，光子能量的高效率輸入和輸出變的非常困難，并逐漸成為制約光子技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。本論文利用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究光子晶體亞波長波導(dǎo)中能量的輸入和輸出特性，探索高效率的能量輸入方法，以及能量的定向輻射特性，期望給目前光子學(xué)的發(fā)展提供有價值的結(jié)果。
　　論文提出利用級聯(lián)光子晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光子晶體波導(dǎo)能量的定向

2、輻射，通過分析光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸和色散特性，以及級聯(lián)周期結(jié)構(gòu)的自準(zhǔn)直傳輸特性，得到了頻率匹配的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光子晶體波導(dǎo)能量的高效率定向輻射輸出。數(shù)值模擬結(jié)果顯示輸出效率約80％，輸出光束的發(fā)散角小于6。系統(tǒng)研究了級聯(lián)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，包括級聯(lián)層的厚度，級聯(lián)層寬度，耦合強(qiáng)度，以及波導(dǎo)輻射場的發(fā)散角，對定向輻射光束特性的影響。研究了不同彎曲級聯(lián)結(jié)構(gòu)對輸出光束的影響，結(jié)果表明正向彎曲導(dǎo)致透射光束在近距離發(fā)生強(qiáng)匯聚，遠(yuǎn)場發(fā)散角變大；而負(fù)方向彎

3、曲則使光束的近場匯聚減弱，從而使得遠(yuǎn)場的方向性以及能量傳輸效率增強(qiáng)。此外我們還研究了級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)定向輻射的帶寬特性，發(fā)現(xiàn)工作帶寬隨結(jié)構(gòu)的變化而變化，以我們所用具體結(jié)構(gòu)而言，在自準(zhǔn)直頻率附近2.4%的帶寬范圍內(nèi)，都可以實現(xiàn)高效率的定向輻射輸出。
　　論文提出并研究了光子晶體波導(dǎo)能量的多方向定向輻射原理以及實現(xiàn)方法。通過分析波導(dǎo)能量定向輻射的機(jī)理，指出表面結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的等效輻射源分布，決定了輻射光束的方向；并且提出基于離散表面調(diào)制，以及

4、多波導(dǎo)分支兩種方法改變透射表面結(jié)構(gòu)特性，實現(xiàn)了多方向的定向輻射。利用相干點源干涉模型推導(dǎo)了輸出能量隨方向的變化規(guī)律，并且利用數(shù)值模擬方法加以驗證。結(jié)果表明這兩種結(jié)構(gòu)均能實現(xiàn)高效率的Nb（Nb=1,2,···）個定向傳播光束，并且所得到的輸出光束個數(shù)Nb，發(fā)散角θ等參數(shù)與理論分析結(jié)果相吻合。利用該結(jié)構(gòu)，研究了光子晶體波導(dǎo)與多介質(zhì)波導(dǎo)耦合的特性，得到了高效率的1N能量分束與耦合器。研究了表面等效輻射源相對位置關(guān)系對輻射光束的特性的影響，得到

5、了光束特性的調(diào)節(jié)方法。論文還研究了輻射源非對稱（包括振幅，位相，以及位置坐標(biāo)）情況下輻射光束的特性，發(fā)現(xiàn)了與對稱結(jié)構(gòu)中輻射光束的不同特性。利用非對稱結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)散角更小的光束，同時具有結(jié)構(gòu)相對簡單，體積更小，損耗更小的優(yōu)點。由于結(jié)構(gòu)的非對稱特性，不同頻率準(zhǔn)直透射光束的傳播方向不同，所以利用非對稱結(jié)構(gòu)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)透射光束的準(zhǔn)直輻射，而且還能實現(xiàn)不同頻率信號的空間分離。
　　論文提出了基于負(fù)折射率介質(zhì)球面透鏡實現(xiàn)寬光束到亞波長光

6、子晶體波導(dǎo)的高效率能量輸入方法。利用數(shù)值模擬方法，以及負(fù)折射率介質(zhì)的SRR/Rod模型，實現(xiàn)了寬度為16λ0的高斯光束到寬度為0.5λ0的光子晶體波導(dǎo)之間的耦合，耦合效率達(dá)到93%，而該結(jié)構(gòu)的厚度只有4～6λ0，其中λ0為光波在真空中的波長。利用負(fù)折射率介質(zhì)的Snell定律，研究了負(fù)折射率介質(zhì)球面透鏡的匯聚特性，推導(dǎo)了其焦距公式，及其隨入射角度的變化關(guān)系，同時分析比較了與目前廣泛研究的平板型負(fù)折射透鏡的區(qū)別。系統(tǒng)分析了入射光束的頻率，入

7、射光束傳播方向與光軸的夾角，以及光束的橫向（相對于負(fù)折射率透鏡光軸）偏移對入射效率的影響，得出了該耦合結(jié)構(gòu)的特性。同時對比研究了普通正折射率透鏡作為能量輸入耦合結(jié)構(gòu)時的特點，發(fā)現(xiàn)本文所提出的結(jié)構(gòu)具有體積更?。üぷ骶嚯x只有正折射率情況下的1/3），效率更高（大于90%）的優(yōu)點。論文還研究了基于三角點陣光子晶體等效負(fù)折射效應(yīng)而實現(xiàn)的光子晶體透鏡耦合結(jié)構(gòu)，分析了其等頻面的形態(tài)，以及有效負(fù)折射率的變化特性。設(shè)計了具體的負(fù)折射率光子晶體透鏡結(jié)構(gòu)，