光子帶隙金屬-介質(zhì)波導有限元分析.pdf

1、隨著光子帶隙（PBG）結(jié)構(gòu)理論的不斷成熟，光子晶體已在光波及微波技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛、成功應(yīng)用。由于PBG的人造周期特性，難以直接采用實驗方法確定各類PBG波導結(jié)構(gòu)，必須構(gòu)建切合應(yīng)用實際的數(shù)值分析模型，采用數(shù)值模擬手段，以期實現(xiàn)“一次設(shè)計制作成功”。有限元法是當前電磁學數(shù)值計算領(lǐng)域主流算法之一，對電磁場計算問題具有很強的適應(yīng)性，適用于任意復雜的幾何形狀及介質(zhì)填充，在復雜PBG結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析方面具有獨特優(yōu)勢。本文研究用于分析金屬/介質(zhì)帶隙波導

2、的有限元模型，對實際應(yīng)用的帶隙波導進行模式分析與仿真設(shè)計，具有重要的理論與實際意義。 論文首先從麥克斯韋方程出發(fā)，推導并建立了波導模式全矢量有限元分析模型和PBG有限元分析模型，并分別對其進行了理論驗證。其次，論文分析了微波波段二維金屬電磁帶隙（EBG）結(jié)構(gòu)的帶隙及缺陷導波模式特性。分析了正方形及三角形晶格EBG結(jié)構(gòu)金屬柱大小對帶隙的影響，并對金屬EBG波導導波模式特性進行了初步探討。接著，論文分析了光頻波段介質(zhì)PBG波導帶隙及

3、模式特性。對晶格完全對稱的單柱型正方形晶格PBG結(jié)構(gòu)和晶格對稱性減小的雙柱型正方形品格PBG結(jié)構(gòu)的帶隙特性進行了對比分析；以三角形格子的光子晶體光纖（PCF）為例，分析了各模式的簡并特性，計算并獲得了空氣孔占空比、空氣孔圈數(shù)和工作波長分別與有效折射率及限制損耗之間的關(guān)系；此外，還提出了一種高雙折射的光子晶體光纖結(jié)構(gòu)，并用全矢量有限元算法對光纖的雙折射、一階偏振模色散（PMD）、限制損耗進行了分析。最后，論文對正方形晶格方形貼片結(jié)構(gòu)、三角