光子晶体光通信器件的结构设计和性能研究

发布时间：2017-12-18 17:29

  本文关键词：光子晶体光通信器件的结构设计和性能研究

  更多相关文章： 准周期光子晶体 渐变光子晶体 朗伯透镜 平板透镜 可见光通信 红外光通信 大弯曲波导 分束器 滤波器 负折射 超透镜

【摘要】：随着社会的飞速发展,光通信技术占据着越来越重要的地位。并且伴随其发展起来一类微纳米器件—光子晶体器件。这类器件可以像半导体器件操控电子一样操控光子,并且具有损耗低、体积小、易集成的优点。本文针对光子晶体在设计光通信相关器件时所存在的一些问题展开研究。研究内容主要包含四个部分。第一部分,渐变光子晶体透镜的设计,用以解决周期光子晶体设计圆对称透镜复杂度高、设计困难的问题:(1)首先在正方晶格光子晶体上,以二氧化硅为基质设计了渐变光子晶体朗伯透镜,通过两种模式透镜特性比较,给出最佳透镜设计方案。选择会聚效果好的TM型透镜,使其在一维方向上渐变,设计平板透镜,通过对不同入射条件、不同尺寸透镜聚焦强度的计算,优化了透镜的数值孔径及构成透镜的光子晶体层数。讨论透镜的容错性,得出两种透镜均有良好的结构稳定性。(2)以Sunflower准周期光子晶体结构为基础,设计了工作在可见光波段的渐变朗伯透镜和平板透镜,通过聚焦特性研究给出平板透镜的拍长,与折射率分布关系计算所得拍长有比较好的一致性。(3)以硅材料为基质,通过改变透镜折射率分布形式,设计不同类型的工作在红外光波段的透镜,根据透镜会聚效果优化光子晶体层数,为简便实验制作提供理论指导。并且在研究过程中发现了透镜的双聚焦效应。(4)用电子束刻蚀的方法制作了五层Sunflower透镜结构。第二部分,Sunflower型准周期光子晶体波导的设计,用以解决周期光子晶体设计大弯曲波导通道不光滑、损耗较大、难以实现任意弯曲度设计的问题:(1)设计了“A”型与“C”型四通道分束器,通过比较得出“C”型四通道分束器有良好的均值分束性能,并且分析了不同位置制作缺陷对四个通道分束效果的影响。(2)设计了三种不同弯曲度的大弯曲波导结构。比较三者的透射率,发现增加波导结构弯曲程度,不会导致弯曲损耗的明显变化。(3)设计了扇形渐变波导结构,并针对三个通信波长对结构进行优化,找出每一通信波长最佳匹配结构。将扇形结构扩展至“U”型结构,发现光波依然沿着波导结构低损耗传输。第三部分,利用二维正方晶格光子晶体结构设计多波长多信道光子晶体滤波器,以解决多通道滤波器结构复杂、只能单波长下载以及通道互相干扰等问题。所设计的滤波器由波导、反射壁、多模微腔及输出端口组成。每一端口均可下载三个不同的波长,在波长1500nm到1600nm这一通信波段,各个信道的透射率均大于90%,滤波效率较高。该滤波器尺寸只有27μm×17μm,这一设计将会大大减小滤波器整体结构尺寸,适用于在波分复用系统中进行复用与解复用,在未来光路集成发展中将有较好的应用前景。第四部分,分析了不同结构准周期光子晶体中的超透镜效应,为将来正折射透镜替代品的选择提供一条重要途径。对Sunflower结构准晶和Penrose结构十八重准晶中的负折射现象进行研究,发现前者的负折射超透镜聚焦效果优于后者,并且该结构在低折射率材质(如聚合物材料)中也能产生负折射会聚效果。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN929.1

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本文编号：1305038