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基于光子晶体波导和腔耦合的光单向传输结构的设计与性能分析

【摘要】:在光通信系统中,为了确保光学系统的稳定以及避免反射光对有源器件正常工作的影响,在光路中设置光波单向传输器是很有必要的。光子晶体是一种由不同介电常数的材料在空间中周期排列而成的人工材料,具有光子禁带和光子局域特性,可用于制备光单向传输结构。目前的方法是在光子晶体中加入非线性材料或磁性材料形成光子晶体单向传输器件,利用非线性材料的非线性效应或者磁性材料的旋光效应来实现单向性的。但是前者需要高功率的入射光产生非线性效应,后者需要外界磁场的作用实现旋光,在实际应用中两种方法都不是很便利。为避免以上两点,本文从破坏光传输路径的空间对称性出发,利用模式的匹配性来设计、研究光的单向传输结构,并根据单向传输特性对结构进行优化。运用COMSOL和Rsoft软件进行结构的仿真设计和光学调制特性的分析。按照结构中高介电常数区域的分布可将光子晶体分为柱型和孔型。本文首先对柱型光子晶体分别按照正方格子和三角格子进行光单向传输结构设计与分析,介质柱为硅,背景材料为空气。然后对孔型三角格子光子晶体的光单向传输结构进行设计和分析。基于柱型正方格子光子晶体的光单向传输结构所选用的晶格常数a=631.7nm,介质柱半径r=0.2*a,通过仿真得到其光子带隙为0.287-0.420(a/λ),即136.2-199.4THz,设计的单向传输中心波长为通信波长1.55μm。在结构中沿ΓX方向移除一排介质柱形成W1波导,沿XM方向移除两排柱子形成W2波导,在完美光子晶体的中心移除两个柱子由一个半径为0.19*a的小柱代替,得到一个谐振腔,通过谐振腔将两个波导耦合连接。谐振腔模式和邻近的波导模式之间是否匹配决定了腔和波导是否耦合,进而决定光波是否导通,从而实现光的单向传输。最后通过优化腔的结构,腔和波导之间的耦合区结构以及波导的结构,得出最优的光单向传输结构。当偶模式的入射光在该结构的W1→腔→W2光路上传输时,由于腔模式和两侧的波导模式均匹配,光路导通,基于柱型正方格子的光单向传输结构的正向传输率约为0.969,而同样模式的光在逆向W2→腔→W1光路上,由于W2内传播的光模式和腔模式不匹配,光波无法耦合到腔中,透射效率几乎为0。基于柱型三角格子光子晶体的光单向传输结构选取的晶格常数a=656nm,介质柱半径r=0.2*a,相应的光子带隙为0.278-0.449(a/λ)即127.1-205.3THz,最终得到在193.5THz处透射率达到约0.582。对于反向入射的偶模式光在180THz到200THz的频率范围内,透射率低于0.1%,单向性不如基于柱型正方格子的光单向传输结构。上述结果表明,柱型正方格子光子晶体的光单向传输结构实现了很好的单向性,但柱型结构在大应力下易碎,且制造工艺要求较高,这会大大增加生产成本。而孔型光子晶体结构在上述两方面都具有一定的优势。孔型结构仍以硅作为介质材料,孔内介质为空气。基于三角格子孔型光子晶体的光单向传输结构的晶格常数a=439.1nm,小孔半径r=0.36*a,带隙范围为0.229-0.347(a/λ)即156.4-237.1THz。通过去除一排空气孔构建W1波导,正交方向上相邻两排交替去除一个和两个空气孔构建W2波导,直接去除一个小孔作为谐振腔,同时将腔内左右两个空气孔各向外移动0.2*a。通过仿真得到该结构正向的透射率达到了0.904,反向基本不通过,实现了很好的单向性。基于光子晶体的光单向传输结构具有良好的单向性,在未来的全光集成电路中有可能得到广泛应用。

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