光子晶體光通信器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究.pdf

1、隨著社會的飛速發(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。研究內(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

2、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。
　?。?）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

3、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)透鏡會聚效果優(yōu)化光子晶體層數(shù)，為簡便實(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)。
　?。?）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

4、、難以實(shí)現(xiàn)任意彎曲度設(shè)計(jì)的問題：
　?。?）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四個(gè)通道分束效果的影響。
　?。?）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，不會導(dǎo)致彎曲損耗的明顯變化。
　?。?）設(shè)計(jì)了扇形漸變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并針對三個(gè)通信波長對結(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)

5、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)將會大大減小濾波器