本文選題：光子晶體 + 全反射異質(zhì)界面　； 參考：《太原理工大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：在光學(xué)光路中,光波經(jīng)過光學(xué)器件時(shí)由于器件表面的反射作用而發(fā)生部分光反向傳播,干擾了有源器件的性能,因此為了降低反向傳輸光造成的影響,在光學(xué)器件中構(gòu)建全光二極管必不可少。由于光子晶體中光子的快速運(yùn)動可以被有效地控制,而利用光子代替電子傳輸大容量信息已成為科技發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求,因此可以用光子晶體來設(shè)計(jì)微納尺度下的全光二極管,使得光波可以單向高效傳輸。基于磁光子晶體的全光二極管雖然滿足了光波傳輸高透射對比度的要求,但需要引入外加磁場來產(chǎn)生旋光效應(yīng),不利于全光集成。而利用非線性材料構(gòu)建光子晶體光二極管,能實(shí)現(xiàn)較高的正向透射率和透射比,但是這種方法需要很高的光強(qiáng)以產(chǎn)生足夠大的光學(xué)非線性效應(yīng)。利用光子晶體的方向能帶失配也能實(shí)現(xiàn)光波的單向傳輸,但是由于光子晶體的散射效應(yīng),正向透射率和對比度都還太低,不能滿足光通信和光信息處理的需求。以上這三種方法都不利于集成光路的應(yīng)用。我們發(fā)現(xiàn)將全反射界面應(yīng)用到光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,可以使得反向入射光在界面發(fā)生全反射,從而降低反向透射率,因此在本文中,基于全反射異質(zhì)界面,通過構(gòu)建光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)來拓寬光波的單向傳輸范圍,提高其透射對比度,并對其能帶結(jié)構(gòu)和等頻圖展開分析,研究內(nèi)容和成果如下:1)選用全反射異質(zhì)界面,觀察了光波傳輸?shù)耐干渥V及電場圖,發(fā)現(xiàn)正向入射光波在界面處存在反射,且透射光由于折射會偏離原入射方向輸出;而反向入射時(shí)光波在界面處由于全反射效應(yīng)幾乎零透射,但此結(jié)構(gòu)正向透射率很低。為提高正向透射率,在界面左側(cè)構(gòu)建二維介質(zhì)柱型光子晶體PC1以減少界面反射,提高了界面透射;在界面右側(cè)構(gòu)建二維介質(zhì)柱型光子晶體PC2,利用其準(zhǔn)直效應(yīng)將光波準(zhǔn)直到與原入射光方向平行,從而提高光波的正向透射率,得到了單向傳輸性能較好的光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。2)在二維光子晶體結(jié)構(gòu)中,偏振態(tài)不同的光波傳輸效果也不同。由于高折射率柱子周期排列在低折射率介質(zhì)中便于TM偏振態(tài)光波控制;低折射率柱子周期排列在高折射率介質(zhì)中便于TE偏振態(tài)光波控制。為了得到性能較好的偏振無關(guān)光波單向傳輸,我們將兩種四角晶格光子晶體PC1和PC2結(jié)合組成新的光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu),基于全反射界面和光子晶體自準(zhǔn)直效應(yīng),通過對其結(jié)構(gòu)周期和光波輸出波導(dǎo)寬度進(jìn)行優(yōu)化,得到了TM模式下,在1423.81nm-1920nm波段范圍內(nèi)近500nm寬的高性能光波單向傳輸,最高正向透射率可達(dá)0.87,光通信波段中心1550nm處正向透射率可達(dá)0.834,透射對比度近乎為1。TE模式下,在1447.94nm-2000nm波長范圍內(nèi)近550nm寬的光波單向傳輸,最高正向透射率可達(dá)0.754,光通信波段中心1550nm處正向透射率可達(dá)0.678,透射對比度近乎為1。實(shí)現(xiàn)了偏振無關(guān)的光通信1550nm波段透射對比度近乎為1的高性能光波單向傳輸,但TE模式下1550nm的正向透射率還不夠高,其單向性能還有待提高。3)而在光子晶體結(jié)構(gòu)中,介質(zhì)中打空氣孔便于TE偏振態(tài)光波控制,因此為了提高TE模式的傳輸性能,我們設(shè)計(jì)了基于全反射界面和自準(zhǔn)直效應(yīng)的二維空氣孔型四角晶格光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu),并對空氣孔半徑、異質(zhì)界面與相鄰空氣孔之間距離和輸出波導(dǎo)寬度對光波單向傳輸性能的影響進(jìn)行了分析,優(yōu)化后得到的光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)0.75的正向透射率,透射對比度近乎為1,正向透射帶寬約260nm,單向傳輸帶寬為600nm,使得TE模式下光通信波段1550nm附近的光波單向傳輸效果得到了極大地提升。
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【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O734

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1740988