二維光子晶體光通信功能器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究.pdf

1、光子晶體的發(fā)現(xiàn)，為控制光和電磁波傳播和運動提供了一個全新的途徑。光子晶體由折射率周期性變化的介質(zhì)材料構(gòu)成。在光子晶體結(jié)構(gòu)中，一定頻段的光波不能傳播，形成光子帶隙。利用光子晶體的帶隙效應(yīng)，在光子晶體中引入缺陷就能夠?qū)崿F(xiàn)對光子的有效控制，例如線缺陷波導和點缺陷共振微腔?；诠庾泳w帶隙效應(yīng)而設(shè)計和制作的各種光子器件尺寸小，易于集成，與相應(yīng)傳統(tǒng)器件相比具有優(yōu)越的性質(zhì)，在下一代光通信系統(tǒng)中將有重要的應(yīng)用。 本文結(jié)合未來光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點日益增長

2、的波分復用系統(tǒng)的實際需要，基于二維光子晶體，利用適時耦合模理論，設(shè)計了一些光通信功能器件，包括上下路光濾波器、2×2定向耦合光開關(guān)以及光分束器、Mach_Zehnder(MZI)干涉儀等。它們與傳統(tǒng)器件相比，不僅尺寸微小易于集成，而且具有不可比擬的優(yōu)點。基于二維光子晶體，然后設(shè)計了一個可重構(gòu)光上下路分插復用器，這個器件集成了一個光上下路復用器，兩個光子晶體彎曲波導，以及一個2×2高消光比光子晶體光開關(guān)。這個器件具有幾百個平方微米量級的外

3、形尺寸，同時它也展現(xiàn)了光子晶體器件集成性好的巨大優(yōu)點。 研究了光子晶體線缺陷波導和點缺陷微腔幅度變化的適時耦合模理論。運用這個理論去分析光子晶體線缺陷波導與點缺陷微腔之間的耦合系統(tǒng)，建立點缺陷微腔幅度隨時間變化的耦合方程。同時，本文從經(jīng)典Maxwell方程出發(fā)，根據(jù)光子晶體的電磁理論基礎(chǔ)，進一步研究了光子晶體的數(shù)值分析方法。重點研究了兩種數(shù)值計算方法：平面波擴展法(PWE)和時域有限差分法(FDTD)，分別用來計算光子晶體器件的

4、帶隙特性和傳輸特性。 研究了一種新型的光子晶體三端口上下路通道濾波器。在這個結(jié)構(gòu)中，使用了兩個光子晶體點缺陷微腔，一個微腔用來在主波導中實現(xiàn)上下路濾波，另外一個波長選擇性反射微腔由一個邊耦合微腔構(gòu)成，用來在主波導中實現(xiàn)波長選擇性的反射反饋。用耦合模理論分析了這個新型的通道濾波器結(jié)構(gòu)模型，從理論上得出了100％上下路效率的條件。然后，基于二維光子晶體結(jié)構(gòu)，如二維方形排列的高折射率介質(zhì)柱光子晶體結(jié)構(gòu)和高折射率平板上的三角晶格空氣孔排

5、列的光子晶體結(jié)構(gòu)，按照理論的完全上下路條件，分別設(shè)計了這樣的光子晶體通道濾波器。用時域有限差分方法證明這種光子晶體通道濾波器結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)完全的上下路復用。接著利用這種設(shè)計模型，研究設(shè)計了一個基于二維光子晶體的六通道波分復用/解復用結(jié)構(gòu)。 首次設(shè)計了一種基于二維光子晶體的可重構(gòu)光上下路分插復用器?；谠O(shè)計的通道濾波器模型，用適時耦合模理論證明上下路過程互為逆過程，因此一個上下路復用器結(jié)構(gòu)可將上下路過程合并獲得。為了同時獲得高消光比

6、和短耦合長度的一個2×2光子晶體定向耦合光開關(guān)，在這個定向耦合結(jié)構(gòu)中引入啁啾波導結(jié)構(gòu)。啁啾結(jié)構(gòu)僅僅通過漸進的改變光子晶體波導邊緣的介質(zhì)柱而獲得。通過改變光子晶體定向耦合結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)域和啁啾區(qū)域介質(zhì)柱的折射率來實現(xiàn)開關(guān)操作。利用兩個120°的光子晶體彎曲波導結(jié)構(gòu)將以上兩個器件連接在一起，獲得可重構(gòu)的光上下路分插復用器，從而在將來的光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中實現(xiàn)動態(tài)的波長路由。 基于光子晶體定向耦合結(jié)構(gòu)的模式分裂效應(yīng)設(shè)計了一種寬帶寬的光分束器，在