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光子晶体自准直环形谐振腔的特征和应用

【摘要】:由于光子晶体具有可操纵光传播的能力以及近年来纳米制造工艺的日渐成熟,使得光子晶体发展非常迅速。基于光子晶体所研制的光器件具有小型化、损耗低、带宽高、材料单一等有点,有望集成于新一代光子芯片中。1999年,H. Kosaka等人在研究中发现了光子晶体自准直效应,这意味着在无需引入缺陷的条件下,特定的光子晶体便能引导特定频率的光几乎无损的准直的传播。 在本论文中,我们利用平面波展开法(Plane Wave Expansion, PWE)计算二维光子晶体的色散关系及等频图,寻求找到二维光子晶体的自准直频率范围。基于自准直效应和光干涉理论提出了三种新型的光器件,主要的研究成果如下: 1、基于光子晶体自准直环形谐振腔的1×3光下路分束器。利用光干涉原理理论计算出光子品体自准直环形谐振腔各个端口的透射谱公式,并探讨其作为光下路分束器的条件,列出了几种不同比例分束效果的光下路分束器及其相对应的分束镜的反射率。我们系统研究了硅基孔状光子晶体和硅基柱状光子晶体三种不同结构不同模式的一分三光下路分束器。通过有限时域差分(Finite Difference Time Domain, FDTD)软件模拟该光下路分束器的下路分束效果并与理论公式所作的透射谱有很好的吻合。通过软件模拟透射谱与理论透射谱的最佳拟合,我们还讨论了光子晶体分束镜和反射镜对光传播相位的影响。 2、基于光子晶体自准直环形谐振腔的1×2光下路分束器。 3、基于光子晶体自准直环形谐振腔的可调下路滤波器。通过在光子晶体中添加液晶,设计了可调的下路滤波器,系统研究了其滤波特性,透射峰随着液晶的有效折射率neff增加而向低频移动,最大透射峰调节范围大于相邻透射峰间距。 本文创新点:利用光子晶体自准直效应与光干涉效应理论,提出了自准直环形谐振腔,基于此结构设计了光下路分束器及可调下路滤波器。其中光下路分束器从理论上预言了其分束效果,并与模拟结果相吻合。这两种光器件由于其结构小、低损耗、高自由程,有望应用于未来的光集成器件中。

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