非互易光波導(dǎo)的若干基礎(chǔ)問題研究.pdf

1、現(xiàn)代集成光學(xué)的快速發(fā)展，需要光學(xué)器件向著片上系統(tǒng)(SOC)的方向發(fā)展，對器件的小型化(Small)，集成化(System-integrated)，智能化(Smart)和功能化(Specialized)有了更高的要求。其中作為集成光學(xué)不可或缺的非互易光波導(dǎo)器件，也朝著集成光學(xué)器件的4S要求方向發(fā)展。非互易光學(xué)器件主要包括光隔離器和環(huán)路器，隔離器可以阻隔反射光進入激光光源，對光源起到保護作用，而環(huán)路器可以使得信號在多個端口間流轉(zhuǎn)，實現(xiàn)反射信

2、號和透射信號的分流。傳統(tǒng)的光隔離器和環(huán)路器體積仍然過大，是實現(xiàn)片上系統(tǒng)(SOC)最大的阻礙。近幾年，基于各種原理的非互易光波導(dǎo)器件取得了長足的進步，逐漸朝著4S原則的方向發(fā)展。
　　本文從光學(xué)非互易現(xiàn)象的物理本質(zhì)出發(fā)，在非互易光波導(dǎo)傳輸特性，數(shù)值模擬方法，器件設(shè)計和實驗工藝等方面開展了研究，具體如下:
　　1.從麥克斯韋方程組導(dǎo)出的洛倫茲互易定理出發(fā)，在電磁理論的層面上解釋了互易系統(tǒng)的原理以及打破互易性的三個基本方法。分析了

3、利用磁光材料打破介電常數(shù)對稱性而制作非互易光波導(dǎo)器件的方法，并簡單介紹了當(dāng)前主流的磁光材料。
　　2.針對目前主流的仿真軟件大部分是非磁光的材料，類似于磁光材料在介電常數(shù)上有非對角分量和虛數(shù)分量的軟件很少而且不成熟。因此，本文利用數(shù)值方法建立模型，對不同情況下的問題進行分析。從最基本的有效折射率等效方法開始，發(fā)展到磁光光束傳播法(BPM)，磁光有限時域差分法(FDTD)，磁光傳輸矩陣法(TMM)等等，分析了包括馬赫增德爾干涉儀(M

4、ZI)，多模干涉器件(MMI)，微環(huán)諧振器，周期性結(jié)構(gòu)等一系列磁光器件和結(jié)構(gòu)，為器件的設(shè)計研制提供了幫助。
　　3.對磁光材料作為芯層和包層兩種實現(xiàn)非互易波導(dǎo)的方案進行了評估，進一步討論了非互易相移公式的本質(zhì)，并探究了增強非互易相移的方法。設(shè)計了若干器件包括基于磁光波導(dǎo)的隔離器，基于硅基波導(dǎo)的隔離器，環(huán)路器，同時提出了基于反射型隔離器和環(huán)路器的無泄漏光合束器構(gòu)想。在硅基器件角度上，將磁光材料和微環(huán)諧振器，馬赫增德爾干涉儀以及光子晶