可实现宽波段光波单向传输的光子晶体异质结构研究

发布时间：2018-04-12 18:52

本文选题：光子晶体 + 全反射异质界面　；参考：《太原理工大学》2017年硕士论文

【摘要】：在光学光路中,光波经过光学器件时由于器件表面的反射作用而发生部分光反向传播,干扰了有源器件的性能,因此为了降低反向传输光造成的影响,在光学器件中构建全光二极管必不可少。由于光子晶体中光子的快速运动可以被有效地控制,而利用光子代替电子传输大容量信息已成为科技发展的现实要求,因此可以用光子晶体来设计微纳尺度下的全光二极管,使得光波可以单向高效传输。基于磁光子晶体的全光二极管虽然满足了光波传输高透射对比度的要求,但需要引入外加磁场来产生旋光效应,不利于全光集成。而利用非线性材料构建光子晶体光二极管,能实现较高的正向透射率和透射比,但是这种方法需要很高的光强以产生足够大的光学非线性效应。利用光子晶体的方向能带失配也能实现光波的单向传输,但是由于光子晶体的散射效应,正向透射率和对比度都还太低,不能满足光通信和光信息处理的需求。以上这三种方法都不利于集成光路的应用。我们发现将全反射界面应用到光子晶体异质结构中,可以使得反向入射光在界面发生全反射,从而降低反向透射率,因此在本文中,基于全反射异质界面,通过构建光子晶体异质结构来拓宽光波的单向传输范围,提高其透射对比度,并对其能带结构和等频图展开分析,研究内容和成果如下:1)选用全反射异质界面,观察了光波传输的透射谱及电场图,发现正向入射光波在界面处存在反射,且透射光由于折射会偏离原入射方向输出;而反向入射时光波在界面处由于全反射效应几乎零透射,但此结构正向透射率很低。为提高正向透射率,在界面左侧构建二维介质柱型光子晶体PC1以减少界面反射,提高了界面透射;在界面右侧构建二维介质柱型光子晶体PC2,利用其准直效应将光波准直到与原入射光方向平行,从而提高光波的正向透射率,得到了单向传输性能较好的光子晶体异质结构。2)在二维光子晶体结构中,偏振态不同的光波传输效果也不同。由于高折射率柱子周期排列在低折射率介质中便于TM偏振态光波控制;低折射率柱子周期排列在高折射率介质中便于TE偏振态光波控制。为了得到性能较好的偏振无关光波单向传输,我们将两种四角晶格光子晶体PC1和PC2结合组成新的光子晶体异质结构,基于全反射界面和光子晶体自准直效应,通过对其结构周期和光波输出波导宽度进行优化,得到了TM模式下,在1423.81nm-1920nm波段范围内近500nm宽的高性能光波单向传输,最高正向透射率可达0.87,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.834,透射对比度近乎为1。TE模式下,在1447.94nm-2000nm波长范围内近550nm宽的光波单向传输,最高正向透射率可达0.754,光通信波段中心1550nm处正向透射率可达0.678,透射对比度近乎为1。实现了偏振无关的光通信1550nm波段透射对比度近乎为1的高性能光波单向传输,但TE模式下1550nm的正向透射率还不够高,其单向性能还有待提高。3)而在光子晶体结构中,介质中打空气孔便于TE偏振态光波控制,因此为了提高TE模式的传输性能,我们设计了基于全反射界面和自准直效应的二维空气孔型四角晶格光子晶体异质结构,并对空气孔半径、异质界面与相邻空气孔之间距离和输出波导宽度对光波单向传输性能的影响进行了分析,优化后得到的光子晶体异质结构可实现0.75的正向透射率,透射对比度近乎为1,正向透射带宽约260nm,单向传输带宽为600nm,使得TE模式下光通信波段1550nm附近的光波单向传输效果得到了极大地提升。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O734

【参考文献】