基于光子晶体缺陷结构的光通信器件的设计与研究

发布时间：2020-07-22 22:40

【摘要】：光子晶体是一种由不同介质周期性分布构成的材料,当入射光波在其中传播时,由于多重干涉的影响会产生一个光子带隙。当入射光的频率处于光子禁带内,光子并不能在光子晶体中传播。这个性质为光束的整形和控制提供了一个崭新的平台,由于在波分复用系统中对光学器件的集成度要求越来越高,基于光子晶体的光学器件已经开始进入人们的视野。本文采用平面波展开法和时域有限差分法,研究了二维光子晶体的基本性质,设计了两款光子器件结构,并研究了它们的性能,期望这些器件在未来的光通信系统中有重要的应用价值。本文提出了一种简单的方法用于提高双微腔与相邻波导之间的耦合效率。缺陷模可以通过改变纳米柱的结构参数来改变,例如改变纳米柱的介电常数、半径大小、形状结构或者它所处的位置。一般情况下,由于微腔结构的旋转对称性,被局域的光子位于微腔中心。我们通过优化纳米柱的位置减小了这种对称性,使得缺陷模式发生改变。计算结果表明,这种优化方式可以提高双微腔与其相邻波导之间的耦合效率。基于这个优势,我们设计了一款三通道滤波器,分析其滤波谱线,其半高全宽都在10 nm左右,窄带特性好。为了拓展上述滤波器在光纤通信领域的应用,本文设计了一款微型异质结型单纤三向光复用器结构,分析了微腔与异质结反射器之间的距离对滤波效率的影响。仿真结果表明当距离为2.26?m时,器件在工作波长处均得到了接近100%的透射效率,该器件的大小仅有14?m×10?m,它还有低串扰和高隔离度的优点。在二维光子晶体中引入具有磁性的介质纳米柱,可以构建一个磁性微腔。纳米柱的成分是铁磁金属氧化物,首先研究了该缺陷介质柱磁性特征,利用适时耦合理论,分析该缺陷介质柱在微腔内的偏移特性以及微腔周围介质柱对透射性能的影响,并从模式能量角度,揭示了偏移作用机制;然后通过调节磁场强度,改变铁氧磁体缺陷介质柱的磁导率,设计磁控谐振腔型光开关,给出光开关特性对应的磁导率分配方案;最后集成主波导、下路波导、上路波导、反射微腔和两光开关区域,设计了一款基于磁控谐振腔开关的可重构分插复用器结构。研究表明该结构能很好地完成信号的上路和下路功能,其传输谱的品质因子可以达到10~3,透射效率均高于90%。插入损耗分别为0.1514和0.1223。每个信道之间的隔离度大约为30,这意味着信号在不同信道中传播时互相干扰小,该器件实现了WDM系统中1550nm波长动态重配置功能。
【学位授予单位】：广西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【图文】：

光子晶体,结构示意图,二维光子晶体,一维

图 1-1 一维、二维、三维光子晶体结构示意图其中，三维光子晶体结构复杂多样，就目前的制备工艺而言，制作难度大并且于二维光子晶体没有绝对的优势[11]，所以对其的研究与应用还比较困难；一维机构机制较为单一，介电常数是在一维上有周期性变化，这就导致一维光子晶差，由这种材料组成的器件种类也很少；而二维光子晶体的介电常数是在二维性变化，它的基本结构刚好是介于一维与三维之间，制作二维光子晶体难度在的加工工艺可达到纳米级，设计灵活。故本文将二维光子晶体作为研究对出新型光通信领域相关核心器件。光子晶体的基本特性光子晶体是一种特殊的新型人工微结构，其构造特点是由两种或两种以上不同的介质材料在空间上呈现周期性分布。这种结构具有很多其它材料所不具备的。使其成为光通信、光器件、微谐振腔等领域的研究热点。在本文中仅仅探讨广泛的光子禁带（Photonic Band Gap,PBG）、光子局域（Photon Localizatio抑制自发辐射（Spontaneous Radiation,SR）这三方面的性质。

微腔,滤波器结构,放大图,各向异性材料

(c)Rostami 设计的滤波器结构 (b)微腔放大图 (c)改变 R2 ，Output Bahrami Panah 报道了一种基于各向异性材料的二维光子a）所示[22]。该滤波器由两条线缺陷波导与一个点缺陷微点缺陷微腔的四个介质柱被填充成各向异性材料。结合各向异性材料的光轴方向实现了滤波波长的动态调谐。

可调谐滤波器,光轴方向,透射谱,光子晶体

(c)图 1-2 (a)A.Rostami 设计的滤波器结构 (b)微腔放大图 (c)改变 R2 ，Output 端口的透射谱2011 年，M Bahrami Panah 报道了一种基于各向异性材料的二维光子晶体可调谐滤波器，如图 1-3（a）所示[22]。该滤波器由两条线缺陷波导与一个点缺陷微腔组成，间隔两条线缺陷波导和点缺陷微腔的四个介质柱被填充成各向异性材料。结合光子晶体的偏振特性，通过改变各向异性材料的光轴方向实现了滤波波长的动态调谐。

【参考文献】