微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件功能與特性研究.pdf

1、微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件在未來(lái)的光通信、光傳感和集成光學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。光子晶體(photonic crystal，PC)最初是由E．Yablonovitch和S．John于1987年各自從自發(fā)輻射和光子局域角度獨(dú)立提出來(lái)的。它是一種介質(zhì)材料呈周期性分布，變化周期是光波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的特殊光學(xué)材料。光子晶體最重要的特點(diǎn)是存在光子頻率禁帶，類(lèi)似于半導(dǎo)體中的電子禁帶，頻率落在帶隙中的電磁波在光子晶體中是禁止傳播的，利

2、用這一特點(diǎn)它可以實(shí)現(xiàn)任意地控制光子的運(yùn)動(dòng)。因而光子晶體必然成為微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件材料的首選。 我們?cè)趯?duì)光纖技術(shù)長(zhǎng)期、大量研究過(guò)程中產(chǎn)生了“纖維集成光學(xué)系統(tǒng)”的一種新想法和新思路，即大量光學(xué)器件將可能共同集成在同一根光纖中，使之集多種功能于一體，成為一種全光纖化和微型化的集成型信息系統(tǒng)。如何把光子晶體概念更深入的引入到光纖中，對(duì)促進(jìn)光纖集成技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。 本論文圍繞微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件功能與特性展開(kāi)深入研究，設(shè)計(jì)多種光子晶

3、體器件，并將其引入到光纖中，驗(yàn)證了將光子晶體器件引入到光纖中的可行性，主要工作可概括如下： (1)首先介紹了光子晶體發(fā)展歷程及應(yīng)用前景，接著從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出微結(jié)構(gòu)光學(xué)器件中光傳輸所遵循的特征值方程，接著詳細(xì)闡述了論文研究中用到的理論計(jì)算方法：平面波展開(kāi)法(PWE)，時(shí)域有限差分法(FDTD)，有限元法(FEM)和光束傳輸法(BPM)。 (2)利用平面波展開(kāi)法詳細(xì)分析了各種結(jié)構(gòu)光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)特征，討論幾何參

4、數(shù)對(duì)光子帶隙的影響，重點(diǎn)研究了磁導(dǎo)率對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)光子帶隙的影響，結(jié)果表明磁性材料更易產(chǎn)生光子帶隙。 (3)設(shè)計(jì)兩種新型完全帶隙光子晶體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，研究其界面導(dǎo)模特性，研究左右兩側(cè)晶格結(jié)構(gòu)做橫向拉開(kāi)和側(cè)向滑移時(shí)對(duì)界面?zhèn)鲗?dǎo)模的影響，計(jì)算結(jié)果表明，不用做任何品格移動(dòng)，兩種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)在絕對(duì)帶隙中就有導(dǎo)模存在，兩邊晶格橫向拉開(kāi)對(duì)導(dǎo)模影響較大，而側(cè)向滑移的影響則較小。 (4)分析了介質(zhì)柱排列成方形晶格時(shí)，光子晶體耦合器耦合作用長(zhǎng)度

5、、耦合臂間距、耦合臂間散射子形狀變化對(duì)耦合特性的影響，發(fā)現(xiàn)耦合臂間散射子形狀的微擾可以使耦合器的長(zhǎng)度大大降低；首次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了完全帶隙光子晶體偏振和消偏振分束器；然后對(duì)光子晶體M—Z干涉儀進(jìn)行了初步的研究，并提出光纖集成光子晶體器件的方案。 (5)對(duì)于光子晶體光纖計(jì)算了各種相關(guān)光學(xué)參數(shù)，利用有限元法研究了光子晶體光纖液體傳感器灌輸液體后過(guò)渡區(qū)光場(chǎng)分布特性；并理論設(shè)計(jì)多芯光子晶體光纖耦合器功能器件，研究不同結(jié)構(gòu)下纖芯間的耦合特性。