本文關(guān)鍵詞：光子晶體光通信器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究

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【摘要】：隨著社會(huì)的飛速發(fā)展,光通信技術(shù)占據(jù)著越來越重要的地位。并且伴隨其發(fā)展起來一類微納米器件—光子晶體器件。這類器件可以像半導(dǎo)體器件操控電子一樣操控光子,并且具有損耗低、體積小、易集成的優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)光子晶體在設(shè)計(jì)光通信相關(guān)器件時(shí)所存在的一些問題展開研究。研究?jī)?nèi)容主要包含四個(gè)部分。第一部分,漸變光子晶體透鏡的設(shè)計(jì),用以解決周期光子晶體設(shè)計(jì)圓對(duì)稱透鏡復(fù)雜度高、設(shè)計(jì)困難的問題:(1)首先在正方晶格光子晶體上,以二氧化硅為基質(zhì)設(shè)計(jì)了漸變光子晶體朗伯透鏡,通過兩種模式透鏡特性比較,給出最佳透鏡設(shè)計(jì)方案。選擇會(huì)聚效果好的TM型透鏡,使其在一維方向上漸變,設(shè)計(jì)平板透鏡,通過對(duì)不同入射條件、不同尺寸透鏡聚焦強(qiáng)度的計(jì)算,優(yōu)化了透鏡的數(shù)值孔徑及構(gòu)成透鏡的光子晶體層數(shù)。討論透鏡的容錯(cuò)性,得出兩種透鏡均有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。(2)以Sunflower準(zhǔn)周期光子晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了工作在可見光波段的漸變朗伯透鏡和平板透鏡,通過聚焦特性研究給出平板透鏡的拍長,與折射率分布關(guān)系計(jì)算所得拍長有比較好的一致性。(3)以硅材料為基質(zhì),通過改變透鏡折射率分布形式,設(shè)計(jì)不同類型的工作在紅外光波段的透鏡,根據(jù)透鏡會(huì)聚效果優(yōu)化光子晶體層數(shù),為簡(jiǎn)便實(shí)驗(yàn)制作提供理論指導(dǎo)。并且在研究過程中發(fā)現(xiàn)了透鏡的雙聚焦效應(yīng)。(4)用電子束刻蝕的方法制作了五層Sunflower透鏡結(jié)構(gòu)。第二部分,Sunflower型準(zhǔn)周期光子晶體波導(dǎo)的設(shè)計(jì),用以解決周期光子晶體設(shè)計(jì)大彎曲波導(dǎo)通道不光滑、損耗較大、難以實(shí)現(xiàn)任意彎曲度設(shè)計(jì)的問題:(1)設(shè)計(jì)了“A”型與“C”型四通道分束器,通過比較得出“C”型四通道分束器有良好的均值分束性能,并且分析了不同位置制作缺陷對(duì)四個(gè)通道分束效果的影響。(2)設(shè)計(jì)了三種不同彎曲度的大彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。比較三者的透射率,發(fā)現(xiàn)增加波導(dǎo)結(jié)構(gòu)彎曲程度,不會(huì)導(dǎo)致彎曲損耗的明顯變化。(3)設(shè)計(jì)了扇形漸變波導(dǎo)結(jié)構(gòu),并針對(duì)三個(gè)通信波長對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,找出每一通信波長最佳匹配結(jié)構(gòu)。將扇形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展至“U”型結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)光波依然沿著波導(dǎo)結(jié)構(gòu)低損耗傳輸。第三部分,利用二維正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多波長多信道光子晶體濾波器,以解決多通道濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、只能單波長下載以及通道互相干擾等問題。所設(shè)計(jì)的濾波器由波導(dǎo)、反射壁、多模微腔及輸出端口組成。每一端口均可下載三個(gè)不同的波長,在波長1500nm到1600nm這一通信波段,各個(gè)信道的透射率均大于90%,濾波效率較高。該濾波器尺寸只有27μm×17μm,這一設(shè)計(jì)將會(huì)大大減小濾波器整體結(jié)構(gòu)尺寸,適用于在波分復(fù)用系統(tǒng)中進(jìn)行復(fù)用與解復(fù)用,在未來光路集成發(fā)展中將有較好的應(yīng)用前景。第四部分,分析了不同結(jié)構(gòu)準(zhǔn)周期光子晶體中的超透鏡效應(yīng),為將來正折射透鏡替代品的選擇提供一條重要途徑。對(duì)Sunflower結(jié)構(gòu)準(zhǔn)晶和Penrose結(jié)構(gòu)十八重準(zhǔn)晶中的負(fù)折射現(xiàn)象進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)前者的負(fù)折射超透鏡聚焦效果優(yōu)于后者,并且該結(jié)構(gòu)在低折射率材質(zhì)(如聚合物材料)中也能產(chǎn)生負(fù)折射會(huì)聚效果。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN929.1

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