基于液晶与光子晶体的新型光子学器件的研究

论文摘要

材料技术的不断进步,推动了新型光子学器件的快速发展。在本篇论文中,我们主要以液晶与光子晶体等新型材料为基础,设计并制作了一系列新型光子学器件,解决了液晶器件与光子晶体器件研制中的若干问题。普通的波片一般只能在单波长下工作,而在实际应用中,宽带波片是非常有必要的。宽带波片通常由双折射晶体构成,其体积较大、结构较复杂、成本也较高。针对这些问题,在第2.3节中提出了一种新型的液晶宽带λ/4波片,该波片由两个扭曲向列液晶盒构成。结合日臻成熟的液晶加工工艺,这种波片具有结构简单、易于集成等优点。通过优化设计可以提高该波片的宽带偏振转换性能,使之在波长为1200nm～1650nm的范围内有效地将线偏光转变为圆偏光。通常的液晶可调光衰减器都是基于扭曲向列液晶盒的,是偏振敏感的器件。理论上,可以利用聚合物分散液晶实现偏振无关的可调光衰减器,但实际上,当衰减器的衰减范围较大时,基于聚合物分散液晶的可调光衰减器的偏振相关损耗也较大。在第2.4节中从理论和实验两个方面对影响聚合物分散液晶电光特性的参数进行分析与优化,最后制作得到的可调光衰减器阈值电压为8V,工作于1550 nm时,其最大衰减值约为26 dB,插入损耗为1.8 dB,偏振相关损耗小于1 dB,优于现有文献中的报道。光子晶体是一种非常重要的新型光子学器件,通常情况下,光子晶体制作好后,其光学特性一般是不能改变的。有人通过在光子晶体中注入液晶来实现可调谐的光子晶体,但是液晶的响应速度较慢,一般只有毫秒量级。在第3.3节中以电磁感应透明材料为基础,结合光子晶体的负折射效应,设计了一种新型全光可调谐光子晶体平板透镜,基于半导体的电磁感应透明材料的响应时间可以达到皮秒量级,要远快于传统的液晶可调谐光子晶体,在控制光关或开的作用下,该透镜可以对波长为1550nm与1548.7nm的点源分别进行成像。相对于常见的固体材料来说,聚合物的折射率较低,所以很少在光子晶体中得到应用。在第3.4节中提出了一种基于聚合物材料的高效率光子晶体偏振分束器,计算模拟显示,在整个光通信的C+L波段,大约有99.9%的TM偏振光被该偏振分束器反射,与此同时,约有98.9%的TE偏振光可以通过偏振分束器,入射角误差可以允许达到±5°,透射的偏振消光比高于31.2 dB,反射的偏振消光比高于21.4 dB。我们还讨论了如何利用多光束干涉的方法来加工聚合物光子晶体结构。与传统的以高折射率介质为基础的器件相比,该聚合物光子晶体偏振分束器在保证优异性能的同时,制作更为简单、方便、快速。针对普通发光二极管出光效率不高的问题,在第4章中利用光子晶体来提高发光二极管的光学性能,主要包括出光效率和远场分布。开发了一套用于设计与评估光子晶体发光二极管光学性能的软件;利用该软件,分析了光子晶体晶格、空气孔的深度与发光二极管本身的结构参数对光子晶体发光二极管发光效率的影响,以及光子晶体晶格发光二极管的远场分布的影响。我们设计的光子晶体发光二极管具有非常高的出光效率,可以达到50%以上。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光学与光子学
• 1.2 新型液晶器件及其应用
• 1.2.1 液晶光学的概述
• 1.2.2 基于液晶的新型光通信器件
• 1.3 新型光子晶体器件及其应用
• 1.3.1 光子晶体的概述
• 1.3.2 基于光子晶体的新型光通信器件
• 1.3.3 光子晶体的制备工艺
• 1.4 高效率发光二极管及其研究现状
• 1.4.1 照明光源的发展概况
• 1.4.2 发光二极管的效率
• 1.4.3 高出光效率的发光二极管
• 1.5 本论文的研究内容及创新点
• 第二章 基于液晶的新型光通信器件
• 2.1 引言
• 2.2 偏振光学中的矢量与矩阵
• 2.2.1 琼斯矢量与琼斯矩阵
• 2.2.2 斯托克斯矢量与穆勒矩阵
• 2.3 基于扭曲向列液晶的宽带波片
• 2.3.1 宽带波片的结构
• 2.3.2 参数优化与结果
• 2.4 基于聚合物分散液晶的可调光衰减器
• 2.4.1 聚合物分散液晶结构参数对其电光特性的影响与优化
• 2.4.2 聚合条件对聚合物分散液晶电光特性的影响
• 2.5 小结
• 第三章 基于光子晶体的新型光通信器件
• 3.1 引言
• 3.2 数值模拟方法
• 3.2.1 时域有限差分法
• 3.2.2 多重散射法
• 3.3 基于电磁感应透明材料的可调光子晶体负折射成像
• 3.3.1 电磁感应透明材料
• 3.3.2 EIT光子晶体平板结构
• 3.3.3 EIT光子晶体平板成像
• 3.4 基于聚合物的光子晶体偏振分束器
• 3.4.1 聚合物光子晶体结构
• 3.4.2 聚合物光子晶体偏振分束器
• 3.4.3 实验制作与误差分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于光子晶体的新型发光二极管
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟方法
• 4.2.1 时域有限差分法
• 4.2.2 严格耦合波方法
• 4.3 光子晶体结构对发光二极管光学性能的影响
• 4.3.1 空气孔深度的影响
• 4.3.2 光子晶体晶格的影响
• 4.4 有源层位置的影响
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间发表的论文与专利
• 致谢