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新型硅基光子晶体自准直分光器的设计与数值模拟

【摘要】:基于独特的色散性质,光子晶体自准直效应可以克服光线发散进行无衍射的直线传播,从而为控制光的传播提供了一种新方法。硅基光子晶体所研制的光学器件尺寸小,能够在微米尺度上集成;材料单一,便于制作;带宽高且损耗低,因此光子晶体自准直器件在集成光学、光通信等领域中有广阔的应用前景。本文采用时域有限差分法与平面波展开法进行数值计算与模拟,提出并设计了新型单偏振模式的硅基光子晶体自准直1×n分光器和新型双偏振模式的硅基光子晶体自准直1×n分光器,主要完成工作如下:1.设计研究了新型单偏振模式硅基光子晶体自准直1×n分光器。采用多光束干涉原理,对基于自准直级联环形谐振腔的多出口分光器进行理论分析,推导出不同输出端口的透射谱公式,并讨论了其作为1×5,1×6和1x7分光器时的条件。在此基础上,利用光子晶体自准直效应,设计了分光器的结构。文中系统研究了介质柱状TM偏振模式和空气孔状TE偏振模式的硅基光子晶体1×5,1×6和1×7分光器。对于每个分光器,选定了两种不同的分光比例,利用时域有限差分法进行模拟计算,并将仿真结果与理论透射谱对比,结果表明两者能够很好的吻合。2.设计研究了新型双偏振模式硅基光子晶体自准直1×n分光器。由于合适的光程差下自准直马赫-曾德尔干涉仪可以实现偏振无关的分束,文中利用偏振透射谱波峰匹配的方法,实现了自准直马赫-曾德尔干涉仪同时对TE偏振和TM偏振的入射自准直光束进行相同比例的分光,即双偏振模式硅基光子晶体自准直1×2分光器;此外,提出并设计了基于自准直环形谐振腔的双偏振模式硅基光子晶体自准直1×4分光器,对结构中由空气孔构成的线缺陷,即分束镜,取不同的孔半径,利用时域有限差分法对其进行扫描,得到孔半径和反射率的依赖关系,发现了在空气孔在某两种半径时,分束镜对两个偏振的光可以同时进行分束,即通过对四个分束镜的半径进行合适设置,可实现偏振无关硅基光子晶体自准直1×4分束。本文创新点:利用自准直级联环形谐振腔,实现了单偏振硅基光子晶体1×5、1×6、1×7分光器,验证了利用级联方法能够使环形谐振腔作为1×n分光器;利用偏振透射谱波峰匹配的方法,通过连续改变光程差,实现了双偏振硅基光子晶体1×2分光器;利用时域有限差分法对不同半径下的空气孔进行反射率的扫描,找到一个特殊的自准直谐振腔,能实现双偏振无关硅基光子晶体自准直1×4分光器。

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