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光子晶体自准直现象及其应用研究

【摘要】:光子晶体是一种人工周期介质结构,在集成光学、全光通信等领域有着广泛的应用。最近几年,光子晶体的异常色散特性引起了越来越多的关注,成为一个新的研究热点,主要包括负折射、自准直、超棱镜等效应。其中,自准直效应为控制光的传输提供了一种崭新的方法,在集成光学中有着重要应用。本文对光子晶体中的自准直现象做了系统研究和深入分析,采用理论分析与数值计算相结合的方法,对光子晶体的可调自准直、宽带全角自准直、偏振无关的全角自准直以及宽带自准直亚波长成像等特性进行了深入研究,提高了光子晶体的自准直性能。并基于自准直效应,设计了多种分束器和光开关等光子晶体器件。本文主要完成了如下几个方面的工作: (1)从色散曲面与等频线分析入手,系统研究了光子晶体自准直效应原理,讨论了最大自准直角与等频线的关系。分析了自准直虚拟波导的传输特性,并计算了入射角对虚拟波导传输性能的影响。 (2)提出并设计了自准直光束的T型、Y型以及1×3分束器。首先通过在正方晶格光子晶体中引入一个V型空气隙,设计了T型自准直光束分束器与1×3分束器。然后通过在三角晶格光子晶体中引入线缺陷,实现了自准直光束的60°弯曲;并通过引入V型线缺陷,设计了Y型自准直光束分束器与1×3分束器。目前自准直光束的分束形式单一,设计的T型与Y型分束器,使自准直光束有了更灵活的分束方式,以满足不同情形的应用。设计的1×3分束器可以将自准直光束一次性分成三束,不但效率高于普通的两个1×2分束器的组合,而且结构也更紧凑。 (3)优化设计了基于空气环光子晶体的自准直光束偏振分束器。这种分束器可以通过选择合适的内环与外环半径,更为便捷地调节TE模与TM模的自准直频率,提高偏振无关的自准直带宽,因而具有更高的设计自由度,在设计阶段可以根据情况灵活地调节参数以达到最佳的性能。 (4)研究了基于液晶材料与电磁感应透明材料光子晶体的可调自准直特性,并设计了自准直光开关。首先研究了液晶旋转角对自准直频率的影响,并基于液晶光子晶体的带隙可调性和自准直特性,设计了自准直光子晶体光开关。然后研究了基于半导体量子阱电磁感应透明材料光子晶体的可调自准直特性,并设计了基于电磁感应透明材料光子晶体的全光开关。 (5)成功实现了基于二维菱形晶格光子晶体的宽带全角自准直、偏振无关的全角自准直以及自准直亚波长成像。首先计算了二维菱形晶格光子晶体的第一布里渊区及高对称点,并对其平面波展开法做了详细的推导。接着分析了菱形晶格光子晶体的带隙特性,并讨论了介质填充率、晶格角对带隙特性的影响。然后,基于菱形晶格光子晶体的独特性质,通过参数优化,实现了带宽为17.42%的宽带全角自准直,并对偏振无关的全角自准直进行了探讨。最后,研究了菱形晶格光子晶体的宽带自准直亚波长成像特性。

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