光子晶体功能器件的设计与仿真.pdf

南京师范大学
硕士学位论文
光子晶体功能器件的设计与仿真
姓名:娄莺
申请学位级别:硕士
专业:物理电子学
指导教师:黄晓琴
20080526
摘要法可以运用到研究光子晶体光纤的材料色散中。基于负折射材料和非线性材料的性质——光强的改变会导致其折射率发生变化,从而影响光在光子晶体中的传播,使光子晶体的带隙发生移动——我们设光子晶体是一种介电常数周期性排列的人工介质,它最基本的特征是具有光子带隙,因而能像半导体控制电子一样控制光子的运动。作为未来集成光路的基础材料,光子晶体在光集成、光信息传输等领域具有十分广阔的应用前景,探索和开发光子晶体新型功能器件已经成为光学领域的研究热点。本文即从光子晶体功能器件的理论设计开始切入光子晶体的研究领域。本文以平面波展开法法⑹庇蛴邢薏罘址法约敖橹波导定向耦合理论为基础,设计了一个四端口的光子晶体多路选择器,实现了将三种不同频率的光在通过光子晶体后分别从三个端涑觯⑶夷芰克鸷暮苄。同时还实现了利用光子晶体耦合器的耦合长度来计算光波传输的群速度,这一方我们将负折射材料运用到一维光子晶体中,通过理论分析和仿真结果得到光子晶体的反射谱的高反射带带宽增大,边缘地区单调变化,不存在普通光子晶体反射谱中的梳状旁通带,且两反射带之间的透射区变得狭窄。讨论了光学厚度和周期数对于该负折射光子晶体透射带的影响:等光学厚度的情况下其透射带具有周期性,且随着周期的增加,高反射带带宽增大,边缘地区单调变化更加迅速,两反射带之间的透射区随之变得狭窄。计了一种等光学厚度的一维非线性负折射光子晶体光开关,响应时间在—数量级。又将非线性材料运用维光子晶体中,即在普通二维光子晶体波导中引入非线性缺陷,通过控制输入光功率的大小,得到了不同情况下光波在波导中的传输情况,实现了“开肮亍饔茫扑憬峁砻鳎9厥奔浼ǘ蹋笾略趌,~考丁关键词:光子晶体,多路选择器,负折射,非线性,光开关娶
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作者签名:二匝作者签名:曼堕学位论文独创性声明学位论文使用授权声明期:.递:￡:迹骸辏豪菀⒓岢忠浴扒笫怠⒋葱拢目蒲Ь翊邮卵芯抗ぷ鳌⒈韭畚氖俏腋鋈嗽诘际χ傅枷陆械难芯抗ぷ骱腿〉玫难芯⒈韭畚闹谐耐猓惺笛椤⑹莺陀泄夭牧暇钦媸档摹⒈韭畚闹谐暮椭滦坏哪谌萃猓话渌嘶蚱渌已经发表或撰写过的研究成果。⑵渌径员狙芯克龅墓毕拙言诼畚闹凶髁松鞑⒈硎本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定,学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子舨和纸质舨;有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅;有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索;有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在本人郑重声明:成果。了谢意。日解密后适用本规定。争
第一章绪论光子晶体是一种新型的人工结构功能材剃,通过设计可以人为调控经典波的传输。但是同时,由于集成度的增大,又出现了诸如电路阻抗和能量损耗的加大,高速信号处理对信号同步要求的提高等~系列问题。这些问题表明,半导体器件的能力已接近其工作极经典波绲绱挪ê蜕辐射与人工晶格的耦合作用,力图实现对经典波传输的控制,材料、能源、信息是当今世界文明的三大支柱。在过去的半个世纪中,半导体技术己经渗入到人们日常生活的方方面面。随着半导体技术集成度和速度的提高,各种电子设备的体积不断缩小,功能不断增强,速度不断增快。限。而半导体器件的工作载体是电子,于是人们开始设想用光子代替电子作为信息的载体,信息的传输和处理均由全光器件完成,像集成电路一样制造出集成光路。类似于集成电路中的半导体材料,集成光路也需要一种基础的材料,光子晶体被认为是最合适的。借用固体物理中晶体的结构思想ü烫迥艽砺弁乒愕浇橹食叨群秃旯鄢叨扔糜诳疾这是关于光子晶体在物理学领域的基础问题。从大约年前光子晶体的概念提出以来,光子晶体的研究在光学物理、凝聚态物理、电磁波、信息技术、声学等领域引起了广泛关注。光子晶体的概念从硅晶体的概念类比得来,硅晶体的开发利用在世纪引起了一场技术革命,有人大胆预言光子晶体的研究有可能在世纪推动信息技术产生新的突破光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处,可以将半导体的部分研究方法植入光子晶体中。我们知道,在半导体材料中由于周期势场作用,电子会形成能带结构,带与带之间有带隙,如价带与导带。光子的情况也非常相似。如果将不同介电常数的电介质在空间按一定的周期排列,由于存在周期性,在其中传播的电磁波的色散曲线将成带状结构。带与带之间可能会出现类似于半导体带隙的。光子带隙”【浚】,F德事湓诖吨械牡绱挪无法传播。如果只在一个方向上具有周期结构,光子带隙只能出现在这一方向上;如果存在三维的周期结构,就有可能出现全方