光子晶体中光传输特性的理论研究

论文摘要

本论文基于国家自然科学基金资助课题“无序介质激光机理的相关研究”及“单光子激光的新机理研究”的工作基础上,围绕光子晶体的光传输特性,分别对正负折射率交替变化的一维光子晶体的透射谱,一维三元光子晶体微腔的模式竞争特性进行了研究,深入探讨了二维三角晶格光子晶体点缺陷的光子局域化,以及光子晶体波导的耦合特性,论文主要内容包括：1、光子晶体的研究现状及其理论方法介绍。2、基于传输矩阵法(TMM)理论,研究了折射率正负交替光子晶体正入射时,介质层数目和光学厚度随机对光波传输特性的影响,并计算透射谱以及介质层内光场的分布。结果表明：光子晶体的传输特性与随机度和介质层的厚度相关,透射率随介质层厚度随机度的增大而降低,带宽变窄；透过率随介质层数目的增大而减小,禁带宽度却变得更宽；介质层内光场呈现局域状态。3、利用传输矩阵理论研究了一维三元光子晶体带增益介质微腔的传输特性,结果表明：透射谱呈现出模式竞争特性；发现透射主峰的中心波长和Zno增益介质层厚度互相匹配。在其他参数合适的情况下,改变Zno增益介质层厚度,透射主峰的中心波长也相应改变。另外,增大光子晶体介质层数目或增大泵浦光强度,模式竞争现象更加明显。4、通过平面波展开法对二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构进行研究,计算得出其色散图以及缺陷模分布。结果表明：缺陷模波长与微腔谐振波长基本吻合。利用FDTD模拟谐振波长波段的电磁波在光子晶体中传播的动态演化过程,并计算出局域模的空间分布图。最后在有规律地改变缺陷周围介质柱半径的情况下实现谐振中心波长的可调性。5、提出一种基于光子晶体耦合波导实现光开关效应的方法：将线缺陷引入二维光子晶体以形成两平行的邻近波导,两邻近波导及其中间的两排介质柱构成了光开关模型耦合区；利用平面波展开法计算了不同介质填充率情况下的色散特性曲线。结果发现；减小介质填充率可以实现波导耦合长度的减小；分段调整中间介质柱的填充率和选择不同的耦合搭配长度,定向耦合器内的光波可以与任意分段介质进行独立、互不相干地耦合,光信号可以在两耦合波导中进行受控地、不间断地交替传输,从而实现了光信号沿两不同端口受控输出的开关效应。国家自然科学基金(批准号：60768001,60278016)资助课题

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.2 光子晶体的结构及特性
• 1.3 光子晶体的应用
• 1.4 本文的主要内容
• 第二章 光子晶体的研究理论
• 2.1 平面波展开法
• 2.2 多重散射法
• 2.3 N阶法
• 2.4 传输矩阵法
• 2.4.1 单一介质层的传输矩阵
• 2.4.2 一维多层介质的传输矩阵
• 2.4.3 透射系数和反射系数
• 2.4.4 介质层中光场的分布
• 2.5 时域有限差分法
• 2.5.1 无源场的麦克斯韦方程
• 2.5.2 三维空间的FDTD形式
• 2.5.3 二维平面的FDTD形式
• 2.5.4 数值稳定条件
• 2.5.5 PML吸收边界条件
• 2.6 本章小结
• 第三章 折射率正负交替的随机光子晶体的传输特性
• 3.1 模型和计算方法
• 3.2 数值计算与讨论
• 3.3 本章小结
• 第四章 一维三元光子晶体微腔中模式竞争特性
• 4.1 物理模型和计算方法
• 4.2 结果与分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构
• 5.1 物理模型与数值分析方法
• 5.2 缺陷模场分析
• 5.3 实现缺陷模中心波长的可调性
• 5.4 本章小结
• 第六章 光子晶体耦合波导实现光开关效应
• 6.1 模型与理论分析
• 6.2 数值计算与分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果