二維光子晶體波導的輸入輸出耦合特性研究.pdf

1、隨著理論和技術水平的發(fā)展，亞波長光子結構得到了廣泛而深入的研究，為集成全光系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎。但隨著光子結構的縮小，光子能量的高效率輸入和輸出變的非常困難，并逐漸成為制約光子技術發(fā)展的一個瓶頸。本論文利用理論分析與數(shù)值模擬相結合的方法，研究光子晶體亞波長波導中能量的輸入和輸出特性，探索高效率的能量輸入方法，以及能量的定向輻射特性，期望給目前光子學的發(fā)展提供有價值的結果。
　　論文提出利用級聯(lián)光子晶體結構實現(xiàn)光子晶體波導能量的定向

2、輻射，通過分析光子晶體波導結構的傳輸和色散特性，以及級聯(lián)周期結構的自準直傳輸特性，得到了頻率匹配的級聯(lián)結構，實現(xiàn)了光子晶體波導能量的高效率定向輻射輸出。數(shù)值模擬結果顯示輸出效率約80％，輸出光束的發(fā)散角小于6。系統(tǒng)研究了級聯(lián)結構的參數(shù)，包括級聯(lián)層的厚度，級聯(lián)層寬度，耦合強度，以及波導輻射場的發(fā)散角，對定向輻射光束特性的影響。研究了不同彎曲級聯(lián)結構對輸出光束的影響，結果表明正向彎曲導致透射光束在近距離發(fā)生強匯聚，遠場發(fā)散角變大；而負方向彎

3、曲則使光束的近場匯聚減弱，從而使得遠場的方向性以及能量傳輸效率增強。此外我們還研究了級聯(lián)結構實現(xiàn)定向輻射的帶寬特性，發(fā)現(xiàn)工作帶寬隨結構的變化而變化，以我們所用具體結構而言，在自準直頻率附近2.4%的帶寬范圍內，都可以實現(xiàn)高效率的定向輻射輸出。
　　論文提出并研究了光子晶體波導能量的多方向定向輻射原理以及實現(xiàn)方法。通過分析波導能量定向輻射的機理，指出表面結構所對應的等效輻射源分布，決定了輻射光束的方向；并且提出基于離散表面調制，以及

4、多波導分支兩種方法改變透射表面結構特性，實現(xiàn)了多方向的定向輻射。利用相干點源干涉模型推導了輸出能量隨方向的變化規(guī)律，并且利用數(shù)值模擬方法加以驗證。結果表明這兩種結構均能實現(xiàn)高效率的Nb（Nb=1,2,···）個定向傳播光束，并且所得到的輸出光束個數(shù)Nb，發(fā)散角θ等參數(shù)與理論分析結果相吻合。利用該結構，研究了光子晶體波導與多介質波導耦合的特性，得到了高效率的1N能量分束與耦合器。研究了表面等效輻射源相對位置關系對輻射光束的特性的影響，得到

5、了光束特性的調節(jié)方法。論文還研究了輻射源非對稱（包括振幅，位相，以及位置坐標）情況下輻射光束的特性，發(fā)現(xiàn)了與對稱結構中輻射光束的不同特性。利用非對稱結構，能夠實現(xiàn)發(fā)散角更小的光束，同時具有結構相對簡單，體積更小，損耗更小的優(yōu)點。由于結構的非對稱特性，不同頻率準直透射光束的傳播方向不同，所以利用非對稱結構，不僅能夠實現(xiàn)透射光束的準直輻射，而且還能實現(xiàn)不同頻率信號的空間分離。
　　論文提出了基于負折射率介質球面透鏡實現(xiàn)寬光束到亞波長光

6、子晶體波導的高效率能量輸入方法。利用數(shù)值模擬方法，以及負折射率介質的SRR/Rod模型，實現(xiàn)了寬度為16λ0的高斯光束到寬度為0.5λ0的光子晶體波導之間的耦合，耦合效率達到93%，而該結構的厚度只有4～6λ0，其中λ0為光波在真空中的波長。利用負折射率介質的Snell定律，研究了負折射率介質球面透鏡的匯聚特性，推導了其焦距公式，及其隨入射角度的變化關系，同時分析比較了與目前廣泛研究的平板型負折射透鏡的區(qū)別。系統(tǒng)分析了入射光束的頻率，入

7、射光束傳播方向與光軸的夾角，以及光束的橫向（相對于負折射率透鏡光軸）偏移對入射效率的影響，得出了該耦合結構的特性。同時對比研究了普通正折射率透鏡作為能量輸入耦合結構時的特點，發(fā)現(xiàn)本文所提出的結構具有體積更小（工作距離只有正折射率情況下的1/3），效率更高（大于90%）的優(yōu)點。論文還研究了基于三角點陣光子晶體等效負折射效應而實現(xiàn)的光子晶體透鏡耦合結構，分析了其等頻面的形態(tài)，以及有效負折射率的變化特性。設計了具體的負折射率光子晶體透鏡結構，