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光子晶体异质结构偏振无关光波单向传输研究

【摘要】:集成光路,相比集成电路来说,有许多无法比拟的优点:信息容量大、处理速度快、开关响应速度很高、抗电磁干扰能力强。类比电二极管,集成光学系统也有一个基本器件:基于光波单向传输的光二极管,它是一种可以限制光沿特定方向传输的光学器件。目前光学集成器件朝着微纳尺度发展,因此设计微纳尺度的光学二极管已成为时代发展的迫切需求。而光子晶体(Photonic Crystal,PhC)可以用来集成光子芯片,为未来替代电子集成芯片提供了可能性,具有很大的应用价值。在理论上,新型的二维PhC光波单向传输器件应该具备高对比度、低插入损耗、宽工作带宽、偏振无关、微纳尺寸和易于制造等优点,但是同时满足以上优点的设计还在研究创新中。本文提出了三种基于二维PhC异质结构的偏振无关光波单向传输器件的方案。基于光子晶体材料,打破结构的空间对称性实现光的单向传输。论文具体的设计思想是:设定界面倾斜角度,满足全反射(Total Reflection,TR)条件,从而拓宽光波单向传输器件的传输带宽,消除反向光的偏振选择性,并降低反向透射率;分析光子晶体能带特性与等频特性,进而提高正向透射率;选择集成材料,利用材料对波长的不敏感性,进一步拓宽工作带宽,得到PhC异质结构的TE和TM线偏振光波单向传输。内容及模拟计算结果分为三个部分:1.异质结构的线偏振光波单向传输异质结构由折射率相差较大的空气与硅组成,硅作为一种电子集成芯片中的关键材料,其折射率受近红外波段光波影响较小,因此在微纳光电器件的制备中起着桥梁的作用,具有与电子器件的可兼容性。首先提出了一种二维硅材料PhC异质结构利用全反射界面,实现了效果较好的偏振无关单向传输。目前的最优结果是:在TE、TM两种线偏振模式下,近157 nm带宽,正向透射率0.5,在光通信波长1550nm的正向透射率0.5,透射对比度0.9。对于两种模式光波入射此结构的正向透射率还需进一步提高,达到高透射的目的。硅材料异质结构偏振无关光波单向传输构想适用于光子晶体二极管的实际制备,为接下来展开正向透射率高、宽带宽的光波单向传输的深入研究奠定了基础。2.异质结构的圆偏振光波单向传输设计了一种可实现圆偏振光波单向传输的光子晶体异质结构,通过优化异质结构的参数,在TE和TM两种线偏振模式下,均实现宽波长范围内的光波单向传输。在两种偏振光均能实现单向传输的基础上,构建圆偏振光源需要满足的条件是两个偏振态工作光谱范围相同;透射率相同;相位差相同;场强分布在空间上重叠。结合光子晶体异质结构的卓越特性,在分析了光波在异质结构中光强的变化以及光的偏振态分布后,证实了圆偏振光在异质结构中可以进行单向传输。计算结果如下:圆偏振光入射二维异质结构时,从1497 nm~1666 nm(带宽169 nm)波长范围内,正向透射率保持在0.6以上,且正向透射谱线平滑,在1550 nm处正向透射率为0.65,对比度接近于1。这一设计思想为实际光二极管的制备提供了新的思路。3.异质结构的任意线偏振光波单向传输构筑了一种可实现任意线偏振光(包括TM、TE和45°线偏振光)单向传输的异质结构,在计算TE偏振模式下光子晶体PhC_1的能带时,归一化频率为0.274a/λ(即目标波长1550 nm)处存在一个水平方向的禁带。因此,旋转PhC_1晶格的波矢方向,增大光波在PhC_1中的衍射作用,结合光子晶体PhC_2具有的自准直效应,让光波在异质结构中始终沿着水平方向传输。同时,引入TR界面限制反向光传输,最终得到任意线偏振态光波的单向传输。光子晶体异质结构的传输性能,最终优化结果,光波单向传输在光通信波长1550 nm处,正向透射率0.66,对比度0.9。在波段为1533 nm~1634 nm(带宽101 nm)达到正向透射率0.6,透射对比度0.9,进一步为单向传输器件的设计奠定了理论基础。

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