【摘要】：集成光路,相比集成電路來說,有許多無法比擬的優(yōu)點(diǎn):信息容量大、處理速度快、開關(guān)響應(yīng)速度很高、抗電磁干擾能力強(qiáng)。類比電二極管,集成光學(xué)系統(tǒng)也有一個(gè)基本器件:基于光波單向傳輸?shù)墓舛䴓O管,它是一種可以限制光沿特定方向傳輸?shù)墓鈱W(xué)器件。目前光學(xué)集成器件朝著微納尺度發(fā)展,因此設(shè)計(jì)微納尺度的光學(xué)二極管已成為時(shí)代發(fā)展的迫切需求。而光子晶體(Photonic Crystal,PhC)可以用來集成光子芯片,為未來替代電子集成芯片提供了可能性,具有很大的應(yīng)用價(jià)值。在理論上,新型的二維PhC光波單向傳輸器件應(yīng)該具備高對比度、低插入損耗、寬工作帶寬、偏振無關(guān)、微納尺寸和易于制造等優(yōu)點(diǎn),但是同時(shí)滿足以上優(yōu)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還在研究創(chuàng)新中。本文提出了三種基于二維PhC異質(zhì)結(jié)構(gòu)的偏振無關(guān)光波單向傳輸器件的方案�；诠庾泳w材料,打破結(jié)構(gòu)的空間對稱性實(shí)現(xiàn)光的單向傳輸。論文具體的設(shè)計(jì)思想是:設(shè)定界面傾斜角度,滿足全反射(Total Reflection,TR)條件,從而拓寬光波單向傳輸器件的傳輸帶寬,消除反向光的偏振選擇性,并降低反向透射率;分析光子晶體能帶特性與等頻特性,進(jìn)而提高正向透射率;選擇集成材料,利用材料對波長的不敏感性,進(jìn)一步拓寬工作帶寬,得到PhC異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TE和TM線偏振光波單向傳輸。內(nèi)容及模擬計(jì)算結(jié)果分為三個(gè)部分:1.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的線偏振光波單向傳輸異質(zhì)結(jié)構(gòu)由折射率相差較大的空氣與硅組成,硅作為一種電子集成芯片中的關(guān)鍵材料,其折射率受近紅外波段光波影響較小,因此在微納光電器件的制備中起著橋梁的作用,具有與電子器件的可兼容性。首先提出了一種二維硅材料PhC異質(zhì)結(jié)構(gòu)利用全反射界面,實(shí)現(xiàn)了效果較好的偏振無關(guān)單向傳輸。目前的最優(yōu)結(jié)果是:在TE、TM兩種線偏振模式下,近157 nm帶寬,正向透射率0.5,在光通信波長1550nm的正向透射率0.5,透射對比度0.9。對于兩種模式光波入射此結(jié)構(gòu)的正向透射率還需進(jìn)一步提高,達(dá)到高透射的目的。硅材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)偏振無關(guān)光波單向傳輸構(gòu)想適用于光子晶體二極管的實(shí)際制備,為接下來展開正向透射率高、寬帶寬的光波單向傳輸?shù)纳钊胙芯康於嘶A(chǔ)。2.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓偏振光波單向傳輸設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)圓偏振光波單向傳輸?shù)墓庾泳w異質(zhì)結(jié)構(gòu),通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)構(gòu)的參數(shù),在TE和TM兩種線偏振模式下,均實(shí)現(xiàn)寬波長范圍內(nèi)的光波單向傳輸。在兩種偏振光均能實(shí)現(xiàn)單向傳輸?shù)幕A(chǔ)上,構(gòu)建圓偏振光源需要滿足的條件是兩個(gè)偏振態(tài)工作光譜范圍相同;透射率相同;相位差相同;場強(qiáng)分布在空間上重疊。結(jié)合光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的卓越特性,在分析了光波在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中光強(qiáng)的變化以及光的偏振態(tài)分布后,證實(shí)了圓偏振光在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中可以進(jìn)行單向傳輸。計(jì)算結(jié)果如下:圓偏振光入射二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí),從1497 nm~1666 nm(帶寬169 nm)波長范圍內(nèi),正向透射率保持在0.6以上,且正向透射譜線平滑,在1550 nm處正向透射率為0.65,對比度接近于1。這一設(shè)計(jì)思想為實(shí)際光二極管的制備提供了新的思路。3.異質(zhì)結(jié)構(gòu)的任意線偏振光波單向傳輸構(gòu)筑了一種可實(shí)現(xiàn)任意線偏振光(包括TM、TE和45°線偏振光)單向傳輸?shù)漠愘|(zhì)結(jié)構(gòu),在計(jì)算TE偏振模式下光子晶體PhC_1的能帶時(shí),歸一化頻率為0.274a/λ(即目標(biāo)波長1550 nm)處存在一個(gè)水平方向的禁帶。因此,旋轉(zhuǎn)PhC_1晶格的波矢方向,增大光波在PhC_1中的衍射作用,結(jié)合光子晶體PhC_2具有的自準(zhǔn)直效應(yīng),讓光波在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中始終沿著水平方向傳輸。同時(shí),引入TR界面限制反向光傳輸,最終得到任意線偏振態(tài)光波的單向傳輸。光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳輸性能,最終優(yōu)化結(jié)果,光波單向傳輸在光通信波長1550 nm處,正向透射率0.66,對比度0.9。在波段為1533 nm~1634 nm(帶寬101 nm)達(dá)到正向透射率0.6,透射對比度0.9,進(jìn)一步為單向傳輸器件的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。
【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】：2019
【分類號】：O734

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本文編號：2763496