基于磁光材料的光子晶体环行器设计

发布时间：2020-07-29 12:19

【摘要】：光子晶体,又称为光子带隙材料,是一种介电常数或磁导率在空间呈周期性排列的新型人工材料。光子晶体的最大特性是存在光子带隙,频率落在光子带隙中的电磁波将不能在其中传播。并且,利用这种带隙效应,在光子晶体中引入缺陷即能实现对波的操纵与控制。由于现代科技不断发展和新材料的不断涌现,人们逐步开始设计一系列光子晶体功能型器件。这些新型功能型器件相比于传统的光学器件来说,体积小了许多而且具有更好的性能。在外加磁场的作用下,磁光材料的介电常数或磁导率是张量形式的,当电磁波在其中传播时会产生磁光效应,这是磁光材料材料特有的性质。因此,在光子晶体中引入磁光材料会发生非常有趣的现象,同时这些有趣的现象为设计更为复杂、更有针对性的光子晶体功能型器件提供了非常重要的思路。本论文重点研究了基于磁光材料的光子晶体环行器,首先通过在光子晶体波导中引入磁光材料实现磁光腔,然后调节光子晶体波导和磁光腔的耦合,设计了几种光子晶体环行器。这些光子晶体环行器具有结构紧凑,易于集成和短程高效的特点,可以高效地应用于光子晶体集成光路中。本论文的主要工作如下:1、紧凑、低损耗和大带宽的光子晶体环行器。由于现在大部分的光子晶体环行器在实现其功能或者提高传输效率时,都需要一个以上的磁光谐振腔或者磁光介质杆,这样会导致结构不紧凑并且难以集成。更重要的是这些结构的工作带宽都不是非常大,限制了它在实际中的应用。在本文中,通过分析电磁波在磁光材料微腔中的谐振模式和场移效应,得到了电磁波对于不同形态磁光材料的旋转角,实现了一种紧凑和大带宽的光子晶体环行器。这种环行器最大的特点是仅仅需要一根磁光材料缺陷杆。首先,比较了基于星形、正方形和圆形介质杆的环行器之间的性能,结果表明星形环行器的表现要好于另外两种环行器。然后,在此基础上,通过在星形磁光介质杆四周设置特殊形状的辅助介质杆,分别为左三角,右三角,左半圆和右半圆,来调节波导和磁光腔之间的耦合,总共设计了四种光子晶体环行器。结果表明,在适当参数的情况下,这四种方法都可以极大的改善环行器的传输特性,并且每一种改进方法都有各自的优势,最后分析了改善背后的机理。有限元法被用来计算环行器的特性,Nelder-mead优化方法被用来得到最优化得参数。这种设计理念对设计一些在集成光子晶体器件中有潜在应用的紧凑、低插入损耗和高隔离度的光子晶体环行器有很好的帮助。2、偏振无关的光子晶体环行器。由于现在大部分的光子晶体环行器都只能工作在单一的偏振模式(TE或者TM),这会限制其在实际工作中的应用。比如在生物传感器中,当入射波为单一偏振的信号,而反射或者传输波可能就会同时有着两种偏振。所以在信号处理的过程中,设计偏振无关的光子晶体环行器就很有必要。首先,在分析铁氧体材料和等离子体材料中的波动方程的基础上,分别使用铁氧体材料和等离子体材料设计了TE偏振环行器和TM偏振环行器。然后,通过适当的调节参数将上述两种与偏振相关的环行器有机的结合在一起实现偏振无关的光子晶体环行器。结果表明,无论对于哪一种偏振,偏振无关的环行器的插入损耗都小于0.15 dB,而隔离度大于20 dB。有限元法被用来计算环行器的传输特性,Nelder-Mead优化方法被用来获得最优化得参数。这种环行器最大的优势在于它是偏振无关的,可以高效的应用于实际当中,并且结构也是非常的紧凑利于集成。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN621
【图文】：

路线图,总体技术,路线

基于磁光材料的光子晶体环行器设计第 2 章研究方法及理论基础以 Maxwell 方程组和光子能带理论为基础，运用周期结构的布结构参数、材料参数、入射波的极化方式、入射波的入射角输入-输出关系、传输特性、转移特性等曲线，分析参数、极等对结构性能的影响。根据研究内容，本文的总体技术路线

正方晶,光子晶体

图 2.2 正方晶格光子晶体结构的结构如图 2.2 所示，其中 a 为光晶格的正格基失可以表示为： 1 =a ：2 2 1 [0,0], [ ,0], 2 X Ma a π π Γ = = 正方晶格光子晶体的能带。图 2.3 正方晶格光子晶体 TE 波的能带图期性插在空气中的方法实现正方晶

正方晶,光子晶体,TE波,能带图

光子晶体：图 2.2 正方晶格光子晶体结构体的结构如图 2.2 所示，其中 a 为光子正方晶格的正格基失可以表示为： 1 =a a=区为：2 2 1 2 [0,0], [ ,0], 2 X Ma a aπ π πΓ = = 算正方晶格光子晶体的能带。

【参考文献】