光子晶體中的負折射現(xiàn)象和各向異性圓形光學微腔的模式特性分析.pdf

1、光子作為信息和能量的載體，具有高速性、大容量、抗干擾和低能耗等特點。所以，人們希望制造出集成光路來控制光子。作為集成光路中最為基本的組成元件，光子晶體和光學微腔應此需求被提出，正吸引著越來越多的科研工作者的興趣。
　　 光子晶體是一種具有周期結構的光學介質。由于其具有光子禁帶和光局域性等獨特的性質和潛在的應用前景，在二十世紀八十年代末一經提出，就得到了人們的重視。如今，光子晶體的理論基礎已經趨于完善，設計能夠實現(xiàn)特定功能的光子晶

2、體器件成為研究重點。
　　 光學微腔是指至少有一個方向上尺度在光波長量級的諧振腔。它在量子計算、傳感器、低閾值窄線寬激光器以及全光通訊濾波器件等方面有巨大優(yōu)勢。目前，研究人員一直在嘗試著設計出具有高品質因子、小模式體積、方向性輻射等特性以及無模式簡并、可調諧的微腔。
　　 正是在這樣的背景下，本論文研究了光子晶體中的負折射現(xiàn)象和電各向異性圓形光學微腔的模式特性。主要工作及創(chuàng)新點如下：
　　 1.分別就光子晶體中介

3、質柱半徑和介質柱位置具有均勻隨機誤差兩種情況，用時域有限差分方法研究了光子晶體同一能帶的正負折射效應對這兩種工藝誤差的寬容度，為實驗上制備光子晶體提供指導。
　　 2.針對光子晶體同一能帶的正負折射效應的一系列缺點，提出并采用平面波展開法、等頻面方法和時域有限差分方法研究了基于光子晶體交疊能帶的正負折射效應。在這一種新的正負折射效應中，入射光束在入射界面上和出射界面上均只在傳統(tǒng)反射方向上有反射，因而透過率更高；在出射界面上，正、

4、負折射光束均只激發(fā)了一種模式的透射光，故從光子晶體透射出來的光場便于后續(xù)器件接收和耦合；由于負、正折射分別獨立地發(fā)生于第二和第三能帶，故基于此效應的分束器既有寬容的工作入射角，也利于用入射角度實現(xiàn)分束效果的調諧。更重要的是，這種思想提供了一種利用光子晶體的交疊能帶控制光傳輸的新穎機制。
　　 3.開發(fā)了完整的分析二維各向異性微腔的數值計算平臺，包括推導出了主軸坐標系下電各向異性介質中二維時域有限差分算法的迭代公式，引入體積平均有

5、效介電常數近似來處理微腔邊界，利用基于Baker算法的Padé近似將時域信號轉換為高精度的頻譜。利用此平臺求得的各向同性圓形微腔數值解與其解析解的高度一致性，證明了此平臺用于二維微腔分析的有效性。
　　 4.提出了各向異性光學微腔的概念，分析了二維電各向異性圓形微腔的模式特性，包括頻譜控制、方向性輻射和對高階徑向模式的抑制。在各向異性微腔中，各回音壁模式的諧振頻率隨微腔介質的各向異性變化而線性平移，平移幅度正比于介質的兩主折射率