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基于自准直效应光子晶体单向传输研究

【摘要】:随着制程工艺的快速发展,集成电路集成度接近极限。此外,受霍尔效应影响而产生的功耗、散射等问题也越来越显著。首要原因是利用电子进行信息传输时,电子相互作用产生损耗,因此,研究人员开始寻找新方法及新材料来克服电子传输带来的损耗。光子具有高速、低能耗等优点,利用光子替代电子实现信息传输将会是未来发展的趋势。类似于电子二极管,光子二极管由于尺寸小、易于光集成等特点将会在光电集成与全光集成中得到广泛应用。目前基于空间反演不对称性设计微纳尺度光子二极管,受材料损耗、带隙宽度和能带匹配等限制,存在正向透射率低,对比度低,带宽窄及工作限于特定偏振态等问题,制约了光子集成发展。针对目前存在的问题,本文利用光子晶体自准直效应和方向带隙构建二维光子晶体异质结构,旨在设计正向透射率高,波长范围宽,适用于任意偏振态,易于集成的光子二极管。该方法有望打破目前可集成微纳尺度光子二极管研究的瓶颈,为高度集成的光量子芯片设计及制造打下坚实基础。本文主要完成以下几方面工作:1.选择可集成材料硅设计异质同构光子晶体,并采用理论分析和数值方法模拟能带结构、等频图和电场分布说明自准直效应工作机理。通过对不同结构光子晶体分析,揭示光子晶体结构自准直效应在提高正向透射率中的作用,为优化晶格结构参数实现任意偏振态的高正向透射率单向传输光子二极管提供理论依据。2.基于椭圆空气孔光子晶体自准直效应,构建2倍旋转对称性椭圆光子晶体异质结构。该结构在TE和TM偏振模式下,通信波长1550nm正向透射率分别为0.661和0.581,正向透射率高于0.5的带宽分别为561 nm和451 nm。通过调整椭圆长轴与Γ-X方向的角度优化结构,发现当椭圆的长轴沿着Γ-X时可以实现正向高透射率。椭圆光子晶体异质结构可以实现任意偏振态高透射率和透射对比度,为高性能单向传输器件开辟了新的可能性。由于该结构采用硅材料便于实验制备,其自准直效应可以进一步应用于其他光子器件。3.构建了非正交二维光子晶体异质结构,该结构采用硅材料构筑正方晶格。利用方形光子晶体自准直效应,将正向透射率明显提高到0.5以上。TE偏振光正向透射率和透射对比度分别为0.693和0.946;另一方面,在TM偏振光下,1550nm波长处正向透射率和透射对比度分别为0.513和0.972,因此该异质结构能够实现宽频带、高正向透射、非偏振选择单向传输。通过分析界面处Ph C1硅圆柱半径大小进一步提高正向透射率,在TE偏振态下,正向透射率达到了0.832。该设计可以通过当前的纳米制造技术制备,有望获得广泛应用。

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