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基于全反射实现光波单向传输的二维光子晶体异质结构研究

【摘要】:在光通信系统中,为了避免反射光对有源器件正常工作的影响,保证光学系统的稳定性,需要在光路中设置光波单向传输器。为适应光电集成的发展趋势,制备可集成化的光波单向传输器尤为重要。光子晶体由于其晶格常数与工作波长在一个数量级上而成为制备集成化的光波单向传输器件的首选材料。目前实现光波单向传输的光子晶体主要是在光子晶体中加入磁性材料或者非线性材料,利用磁性材料的旋光效应或非线性材料的非线性效应。但前者需要外界磁场的作用实现旋光,后者需要高功率的入射光产生非线性效应,两者在实际应用中都不是很便利。 为克服以上两种光子晶体的缺陷,研究者发现破坏电介质光子晶体的空间结构对称性,亦可实现光波单向传输。例如通过构造具有不同方向带隙的光子晶体异质结构来实现光波单向传输。但由于能带特性的制约,加大了结构的构造难度。本文在二维光子晶体异质结界面的设计上考虑了全反射的因素,使其在实现光波单向传输时,降低了对能带特性的要求,简化了结构的构造难度。利用有限时域差分法和平面波展开法,对结构的透射谱、场强分布以及能带特性进行了研究,具体的研究内容及成果如下: 1.基于全反射原理,设计了一种可实现中心波长1550nm附近,TE模式光波单向传输的二维四方晶格光子晶体异质结构。透射峰位于波长1560nm处,此时正向透射率为0.5,透射对比度为0.93,单向传输范围大约500nm。通过分析场强图及光子晶体的能带特性,发现:当光子晶体异质结界面满足全反射条件时,即使在所研究波段组成异质结的两种光子晶体都是导带,仍然可以实现光波的单向传输,由此,降低了对结构的要求。根据所选材料及结构,当异质结接触面与水平方向夹角为450时,单向传输效果最好。另外,随着晶格常数的增加或者圆柱半径的增加,正向透射峰均向长波方向移动。 2.分析了TM模式光波在基于全反射原理的二维光子晶体异质结构中的单向传输情况。发现,该结构在实现TM模式光波单向传输时,同样不需要方向带隙的差别。此外,通过改变异质结界面与其左右两侧相邻柱子的水平距离,会改变正向透射率的峰值及单向传输范围;当右波导上移距离不大于600nm时,对光波单向传输效果不影响;当介质柱同时换为折射率大于背景材料的第三种材料时,折射率差异越大,光波单向传输性能越好,光谱越宽。 3.基于全反射原理,设计了一种可实现中心波长1550nm附近,双偏振光波单向传输的二维四方晶格光子晶体异质结构。同样,该结构在实现光波单向传输时,也不再依赖于能带的失配。此外,通过对结构微扰分析,发现:当异质结界面在原有位置水平移动不超过20nm,或者圆柱半径在140nm附近变化不超过4nm时,不影响波长1550nm处的双偏振光波单向传输效果,为实验制备提供了参考依据。

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