【摘要】：光子晶體,又稱為光子帶隙材料,是一種介電常數(shù)或磁導(dǎo)率在空間呈周期性排列的新型人工材料。光子晶體的最大特性是存在光子帶隙,頻率落在光子帶隙中的電磁波將不能在其中傳播。并且,利用這種帶隙效應(yīng),在光子晶體中引入缺陷即能實現(xiàn)對波的操縱與控制。由于現(xiàn)代科技不斷發(fā)展和新材料的不斷涌現(xiàn),人們逐步開始設(shè)計一系列光子晶體功能型器件。這些新型功能型器件相比于傳統(tǒng)的光學(xué)器件來說,體積小了許多而且具有更好的性能。在外加磁場的作用下,磁光材料的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率是張量形式的,當(dāng)電磁波在其中傳播時會產(chǎn)生磁光效應(yīng),這是磁光材料材料特有的性質(zhì)。因此,在光子晶體中引入磁光材料會發(fā)生非常有趣的現(xiàn)象,同時這些有趣的現(xiàn)象為設(shè)計更為復(fù)雜、更有針對性的光子晶體功能型器件提供了非常重要的思路。本論文重點研究了基于磁光材料的光子晶體環(huán)行器,首先通過在光子晶體波導(dǎo)中引入磁光材料實現(xiàn)磁光腔,然后調(diào)節(jié)光子晶體波導(dǎo)和磁光腔的耦合,設(shè)計了幾種光子晶體環(huán)行器。這些光子晶體環(huán)行器具有結(jié)構(gòu)緊湊,易于集成和短程高效的特點,可以高效地應(yīng)用于光子晶體集成光路中。本論文的主要工作如下:1、緊湊、低損耗和大帶寬的光子晶體環(huán)行器。由于現(xiàn)在大部分的光子晶體環(huán)行器在實現(xiàn)其功能或者提高傳輸效率時,都需要一個以上的磁光諧振腔或者磁光介質(zhì)桿,這樣會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不緊湊并且難以集成。更重要的是這些結(jié)構(gòu)的工作帶寬都不是非常大,限制了它在實際中的應(yīng)用。在本文中,通過分析電磁波在磁光材料微腔中的諧振模式和場移效應(yīng),得到了電磁波對于不同形態(tài)磁光材料的旋轉(zhuǎn)角,實現(xiàn)了一種緊湊和大帶寬的光子晶體環(huán)行器。這種環(huán)行器最大的特點是僅僅需要一根磁光材料缺陷桿。首先,比較了基于星形、正方形和圓形介質(zhì)桿的環(huán)行器之間的性能,結(jié)果表明星形環(huán)行器的表現(xiàn)要好于另外兩種環(huán)行器。然后,在此基礎(chǔ)上,通過在星形磁光介質(zhì)桿四周設(shè)置特殊形狀的輔助介質(zhì)桿,分別為左三角,右三角,左半圓和右半圓,來調(diào)節(jié)波導(dǎo)和磁光腔之間的耦合,總共設(shè)計了四種光子晶體環(huán)行器。結(jié)果表明,在適當(dāng)參數(shù)的情況下,這四種方法都可以極大的改善環(huán)行器的傳輸特性,并且每一種改進(jìn)方法都有各自的優(yōu)勢,最后分析了改善背后的機理。有限元法被用來計算環(huán)行器的特性,Nelder-mead優(yōu)化方法被用來得到最優(yōu)化得參數(shù)。這種設(shè)計理念對設(shè)計一些在集成光子晶體器件中有潛在應(yīng)用的緊湊、低插入損耗和高隔離度的光子晶體環(huán)行器有很好的幫助。2、偏振無關(guān)的光子晶體環(huán)行器。由于現(xiàn)在大部分的光子晶體環(huán)行器都只能工作在單一的偏振模式(TE或者TM),這會限制其在實際工作中的應(yīng)用。比如在生物傳感器中,當(dāng)入射波為單一偏振的信號,而反射或者傳輸波可能就會同時有著兩種偏振。所以在信號處理的過程中,設(shè)計偏振無關(guān)的光子晶體環(huán)行器就很有必要。首先,在分析鐵氧體材料和等離子體材料中的波動方程的基礎(chǔ)上,分別使用鐵氧體材料和等離子體材料設(shè)計了TE偏振環(huán)行器和TM偏振環(huán)行器。然后,通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)參數(shù)將上述兩種與偏振相關(guān)的環(huán)行器有機的結(jié)合在一起實現(xiàn)偏振無關(guān)的光子晶體環(huán)行器。結(jié)果表明,無論對于哪一種偏振,偏振無關(guān)的環(huán)行器的插入損耗都小于0.15 dB,而隔離度大于20 dB。有限元法被用來計算環(huán)行器的傳輸特性,Nelder-Mead優(yōu)化方法被用來獲得最優(yōu)化得參數(shù)。這種環(huán)行器最大的優(yōu)勢在于它是偏振無關(guān)的,可以高效的應(yīng)用于實際當(dāng)中,并且結(jié)構(gòu)也是非常的緊湊利于集成。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN621
【圖文】：

基于磁光材料的光子晶體環(huán)行器設(shè)計第 2 章 研究方法及理論基礎(chǔ)以 Maxwell 方程組和光子能帶理論為基礎(chǔ)，運用周期結(jié)構(gòu)的布結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)、入射波的極化方式、入射波的入射角輸入-輸出關(guān)系、傳輸特性、轉(zhuǎn)移特性等曲線，分析參數(shù)、極等對結(jié)構(gòu)性能的影響。根據(jù)研究內(nèi)容，本文的總體技術(shù)路線

圖 2.2 正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示，其中 a 為光晶格的正格基失可以表示為： 1 =a ：2 2 1 [0,0], [ ,0], 2 X Ma a π π Γ = = 正方晶格光子晶體的能帶。圖 2.3 正方晶格光子晶體 TE 波的能帶圖期性插在空氣中的方法實現(xiàn)正方晶

光子晶體：圖 2.2 正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示，其中 a 為光子正方晶格的正格基失可以表示為： 1 =a a=區(qū)為：2 2 1 2 [0,0], [ ,0], 2 X Ma a aπ π πΓ = = 算正方晶格光子晶體的能帶。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 武校剛;基于有限元法的二維光子晶體能帶特性研究[D];燕山大學(xué);2010年

本文編號：2773955