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波导型光子晶体异质结构光波单向传输研究

【摘要】:与电子相比,光子作为信息载体具有能耗低,带宽大,传输速度快,保密性高等优点。因此,量子光子技术已经成为时代发展的迫切需求,而小型化和片上集成是量子光子技术的重要发展方向。像集成电路中的二极管一样,光学单向传输设备(Asymmetric Transmission Device,ATD)在量子信息处理和可扩展的纳米光子网络中起着重要的作用,因此ATD成为研究重点。目前研究者们已经提出了许多基于纳米光子结构来实现不对称传输的设计,包括超材料,光子晶体(Photonic Crystal,Ph C),平板波导,表面等离子体激元和共振效应。与其他结构相比,光子晶体是由不同介电常数的材料进行周期性排列形成的,Ph C具有可调谐的光学特性。此外,Ph C与当前的互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)纳米制造技术完全兼容,这为用于量子计算和信息处理的光子芯片的集成铺平了道路。Ph C最独特的特征之一是光子带隙(Photonic Band Gap,PBG)。通过对具有高折射率的材料的适当设计,可以生成完整光子带隙(Complete Photonic Band Gap,CPBG),入射光波所对应的频率落在此范围内,则不能在此光子晶体结构中传输。因此,基于Ph Cs的CPBG来创建的低损耗光波导和高质量因子(Q因子)的纳米腔可以有效提高传输效率,其中基于该原理的大多数的设计已在2D Ph C结构中得到了证明。然而,将CPBG应用于ATD的设计具有挑战性,因为正向入射光可能被CPBG抑制,导致正向透射率较低。基于以上原因,将CPBG应用于ATD还需要进一步的研究。本文介绍了三种由点缺陷和线缺陷组合形成的波导型光子晶体,实现了光波单向传输。在满足全反射的条件下,主要利用了平面波展开法计算能带结构,二维时域有限差分方法计算结构的传输效率。得到了宽工作频带,高传输效率的异质结构。主要内容分为以下三个部分:1.设计了一种基于完整光子带隙(CPBG)的波导型光子晶体异质结构,实现了光波单向传输。由二氧化硅和锗构成,并引入线缺陷来创建波导以实现较高的正向透射率。同时,采用全反射(Total Reflection,TR)原理来阻止光源的反向入射,从而实现光波单向传输。我们通过对该结构的不断优化,在1582 nm的波长处,TE偏振态下正向透射率为0.581,透射对比度为0.989。该结构的设计思想为设计新型ATD提供了新的思路。2.设计了一种可实现光波宽带单向高透射的波导型光子晶体异质结构,由光子晶体1(PC1)和光子晶体2(PC2)构成。其中PC1为锗圆柱在二氧化硅背景中周期排列,填充率为r_1/a_1=0.32,r_1=0.256 um;PC2为二氧化硅圆柱在锗背景中周期排列,填充率为r_2/a_2=0.4,r_2=0.334 um。异质结界面与光波入射方向夹角为60°。在光通信中心波长1550 nm处,TE偏振态下正向透射率为0.90,透射对比度为0.98。在1450 nm~1650 nm范围内,TE偏振态下正向透射率达0.78以上,同时透射对比度达0.86以上。3.设计了一种可实现宽频带圆偏振的耦合腔光子晶体异质结构,由光子晶体1(PC1)和光子晶体2(PC2)构成。其中PC1为锗圆柱在二氧化硅背景中形成三角晶格周期排列,PC1中去除了7行晶格并引入耦合腔结构,晶格常数a_1=800 nm,r_(1b)=0.256μm,r_(1s)=0.05μm;PC2为二氧化硅圆柱在锗背景中形成三角晶格周期排列,PC2中去除了13行晶格引入光波导结构,晶格常数a_2=835 nm,r_2=0.334μm。异质结界面与光波入射方向夹角为60°。在光通信中心波长1550 nm处,圆偏振态下正向透射率为0.88,透射对比度为0.97。在1000 nm~2000 nm范围内,圆偏振态下正向透射率达0.76以上和透射对比度达0.87以上。

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