（物理电子学专业论文）光子晶体功能器件的设计与仿真.pdf

摘娶 摘要 光子晶体是一种介电常数周期性排列的人工介质，它最基本的特征是具有光 子带隙，因而能像半导体控制电子一样控制光子的运动。作为未来集成光路的基 础材料，光子晶体在光集成、光信息传输等领域具有十分广阔的应用前景，探索 和开发光子晶体新型功能器件已经成为光学领域的研究热点。本文即从光子晶体 功能器件的理论设计开始切入光子晶体的研究领域。 本文以平面波展开法( p w m 法) 、时域有限差分法( f d t d 法) 以及介质 波导定向耦合理论为基础，设计了一个四端口的光子晶体多路选择器，实现了将 三种不同频率的光在通过光子晶体后分别从三个端1 2 1 输出，并且能量损耗很小； 同时还实现了利用光子晶体耦合器的耦合长度来计算光波传输的群速度，这一方 法可以运用到研究光子晶体光纤的材料色散中。 我们将负折射材料运用到一维光子晶体中，通过理论分析和仿真结果得到光 子晶体的反射谱的高反射带带宽增大，边缘地区单调变化，不存在普通光子晶体 反射谱中的梳状旁通带，且两反射带之间的透射区变得狭窄。讨论了光学厚度和 周期数对于该负折射光子晶体透射带的影响：等光学厚度的情况下其透射带具有 周期性，且随着周期的增加，高反射带带宽增大，边缘地区单调变化更加迅速， 两反射带之间的透射区随之变得狭窄。 基于负折射材料和非线性材料的性质光强的改变会导致其折射率发生 变化，从而影响光在光子晶体中的传播，使光子晶体的带隙发生移动我们设 计了一种等光学厚度的一维非线性负折射光子晶体光开关，响应时间在1 0 1 4 数量 级。又将非线性材料运用n - 维光子晶体中，即在普通二维光子晶体波导中引入 非线性缺陷，通过控制输入光功率的大小，得到了不同情况下光波在波导中的传 输情况，实现了“开 “关作用，计算结果表明，开关时间极短，大致在l o q ， 1 0 - 1 4 数量级。 关键词：光子晶体，多路选择器，负折射，非线性，光开关 a b s t r a c t a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l s ( p c s ) a r ep e r i o d i cd i e l e c t r i cs t r u c t u r e sf a b r i c a t e da r t i f i c i a l l y ， w h i c he x i s tp h o t o n i cb a n dg a pa n dt h ep r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cw a v e sw i t h f r e q u e n c i e sw i t h i nt h eg a pa r ef o r b i d d e n a st h eb a s i cm a t e r i a l so ft h ei n t e g r a t e p h o t i c s ，p c se x h i b i tp r o m i s i n gf u t u r ei no p t i c a li n t e g r a t e dc i r c u i t s ( o l c ) a n da l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s p e o p l eh a v eb e e nw i l da b o u te x p l o r i n gt h en e w - s t y l e f u n c t i o nd e v i c e so ft h ep c s i nt h i st h e s i s ，w ef o c u so nt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f p h o t o n i cc r y s t a la p p l i c a t i o n s 丽t 1 1t h ec u t - i np o i n to ff u n d a m e n t a ld e s i g no fp h o t o n i c c r y s t a lf u n c t i o nd e v i c e s t h em e t h o do ff i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i n ( f d t d ) a n dd i r e c t i o n a lc o u p l i n g t h e o r yo ft h em e d i u mw a v e g u i d e sa r eu s e da st h eb a s i ct h e o r y af i e l dc o m e so u t t h r o u g ht h ei n p u tw a v e g u i d ew h e nt h ec o u p l e rl e n g t hi sa ni n t e g e rm u l t i p l eo ft h e b e a t - l e n g t h i nc o n t r a s t ，t h ef i e l di n j e c t e di n t oo n ew a v e g u i d es w i t c h e se n t i r e l yt ot h e o t h e ro n ei ft h ec o u p l e rl e n g t hi sa l lo d dm u l t i p l eo fh a l ft h eb e a t l e n g t h a t h r e e w a v e l e n g t hp h o t o n i cc r y s t a lm u l t i p l e x e ri sd e s i g n e d a n dam e t h o dt oc o m p u t e t h eg r o u pv e l o c i t yb yt h ec o u p l i n gl e n g t hi sp r e s e n t e da l s o ，w h i c hw i l lb eu s e f u li nt h e r e s e a r c ho ft h ed i s p e r s i o no ft h ep cf i b e r s i nt h i st h e s i s ，w em a k et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r e so ft h eb a n dg a po f o n ed i m e n s i o n a l ( 1 - d ) p c sc o n t a i n i n gn e g a t i v er e f r a c t i o nm a t e r i a lb ym e a n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：t h ep c sc o n t a i n i n gn e g a t i v er e f r a c t i o nm a t e r i a l sh a v ew i d e r p h o t o n i cb a n dg a p s ( p b g ) t h a nt h et r a d i t i o n a lp c s ，a n dh a v en a r r o wt r a n s m i s s i o n b a n d s 丽t l lt h ee d g eo ft h ep b gc h a n g e i n gm o n o t o n i ca n dw i t h o u tr i p p l e s t h e p h o t o n i ct h i c k n e s sa n dt h ep e r i o dt ot h ei n f e c t i o no f t h eb a n dg a ph a v eb e e nd i s c u s s e d ， t h er e s u l t ss a y st h a tt h et r a n s m i s s i o nb a n d sh a v et h ep e r i o d i cc h a r a c t e r i s t i cw i t he q u a l p h o t o n i ct h i c k n e s s ，a n dt h ep b ob e c o m ew i d e rw h e no ft h ep e r i o di n c r e a s e s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e n e g a t i v er e f r a c t i v em a t e r i a l s a n dt h e n o n l i n e a r i t y , w ed e s i g na1 一dp cs w i t c h i n g 、衍廿ln e g a t i v ea n dn o n l i n e a rm a t e r i a l s w h i c hs a t i s f yt h ec o n d i t i o no ft h ee q u a lt h i c k n e s s ，w h o s er e s p o n s et i m er e a c h e s10 一“ a l s o ，w ed e s i g na2 一dp cs w i t c h i n g 晰t hn o n l i n e a rm a t e r i a l s ，d i s c u s s i n gt h ed i f f e r e n t t r a n s m i s s i o ns i t u a t i o n sb yc o n t r o l l i n gt h ei n t e n s i t yo ft h ei n p u tl i g h t i t ss h o w nt h a t t h es w i t c h i n gt i m ei sw o n d r o u ss h o r t , a p p r o a c h i n g10 1 3 l0 一 k e y w o r d s ：p h o t o n i cc r y s t a l s ，m u l t i p l e x e r ，n e g a t i v er e f r a c t i o n ，n o n l i n e a r i t y ，o p t i c a l s w i t c h i n g l i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新，的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：二匝 日 期：2 兰：垒益 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子舨和纸质舨；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 _ l 争 作者签名：曼堕 日 期：递：彩 第一章绪论 第一章绪论 材料、能源、信息是当今世界文明的三大支柱。 在过去的半个世纪中，半导体技术己经渗入到人们日常生活的方方面面。随着半导体 技术集成度和速度的提高，各种电子设备的体积不断缩小，功能不断增强，速度不断增快。 但是同时，由于集成度的增大，又出现了诸如电路阻抗和能量损耗的加大，高速信号处理 对信号同步要求的提高等系列问题。这些问题表明，半导体器件的能力已接近其工作极 限。而半导体器件的工作载体是电子，于是人们开始设想用光子代替电子作为信息的载体， 信息的传输和处理均由全光器件完成，像集成电路一样制造出集成光路。类似于集成电路 中的半导体材料，集成光路也需要一种基础的材料，光子晶体被认为是最合适的。 光子晶体是一种新型的人工结构功能材剃1 1 ，通过设计可以人为调控经典波的传输。 借用固体物理中晶体的结构思想1 2 1 ，将固体能带理论推广到介质尺度和宏观尺度用于考察 经典波( 如电磁波和声波) 辐射与人工晶格的耦合作用，力图实现对经典波传输的控制， 这是关于光子晶体在物理学领域的基础问题。从大约2 0 年前光子晶体的概念提出以来，光 子晶体的研究在光学物理、凝聚态物理、电磁波、信息技术、声学等领域引起了广泛关注。 光子晶体的概念从硅晶体的概念类比得来，硅晶体的开发利用在2 0 世纪引起了一场技术革 命，有人大胆预言光子晶体的研究有可能在2 1 世纪推动信息技术产生新的突破 3 1 。 光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，可以将半导体的部分研究 方法植入光子晶体中。我们知道，在半导体材料中由于周期势场作用，电子会形成能带结构， 带与带之间有带隙，如价带与导带。光子的情况也非常相似。如果将不同介电常数的电介质 在空间按一定的周期排列，由于存在周期性，在其中传播的电磁波的色散曲线将成带状结构。 带与带之间可能会出现类似于半导体带隙的。光子带隙”【4 】【5 】，1 6 。频率落在带隙中的电磁波 无法传播。如果只在一个方向上具有周期结构，光子带隙只能出现在这一方向上；如果存在 三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的电磁波在任何方向上都被 禁止传播。同时光子作为新型的信息载体，具有许多电子无法比拟的优势：最明显的优势就 是光子在介质中的传播速度远远大于电子的传播速度而且可以获得高带宽；光子之间相互作 用很弱，不存在类似电子之间那么强的库仑相互作用，这样不仅可以减少能量损失，而且容 易实现并行处理。 光子晶体的许多特性，如禁带边的光学色散、全方向的反射、光子局域化、光波导、光 学双稳态等【7 】【引使光子晶体成为实现全光通讯的极佳载体，光子晶体在光集成、光信息传输 第一章绪论 和光信息处理等领域具有十分广阔的应用前景，探索和开发光子晶体新型功能器件已经成为 光学领域的研究热点。本文即从光子晶体功能器件的理论设计开始切入光子晶体的研究领 域。 1 1 光子晶体简介 光子晶体也称光子带隙材料，是高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间呈周 期排列的人造晶体，其晶格常数与工作波长处于同一个数量级。频率落入光子带隙中的电磁 波，由于光子晶体的强烈的布拉格散射效应，将被光子晶体全反射回来而不能在光子晶体中 传播，因而光子带隙中的光子态密度为零。光子晶体的光子带隙出现在布里渊区的边界上， 它不仅与光子的能量有关，还与光子的传播方向有关。如果光子晶体在空间的所有传播方向 上都有带隙，并且每个方向上的带隙都能相互重叠，则称这种光子晶体是完全带隙光子晶体。 如果光子晶体在空间不同方向上的带隙并不完全重叠，或者只在特定的方向上具有带隙，则 称之为不完全带隙光子晶体或赝带隙光子晶体。 根据光子晶体的周期特点可将其分为一维光子晶体( 1 一dp c ) 、二维光子晶体( 2 dp c ) 和三维光子晶体( 3 dp c ) ，如图卜1 所示。绝大多数光子晶体都是人工设计制造出来的， 但是自然界也存在光子晶体的例子，如蛋白石、蝴蝶翅膀等。 1 一d2 d3 d 图1 1 光子晶体结构示慈图 半导体材料的缺陷和掺杂特性会影响其能带结构。向高纯度的半导体晶体中掺入少量杂 质，禁带中会出现相应的缺陷能级和杂质能级。类似地，可以在光子晶体中引入缺陷，缺陷 的引入同样会在光子带隙中产生相应的缺陷态，使光子晶体的能带结构受到影响【9 1 。当缺陷 是由引入额外的高介电材料所致时，其特性类似于半导体掺杂中的施主原子，缺陷能级将起 始于空气带底，并且随着缺陷的增大而移向介电带；当缺陷是由移去部分高介电材料所致时， 其特性类似于半导体掺杂中的受主原子，缺陷能级将起始于介电带顶，并且随着缺陷的增大 2 第一牵绪论 而移向空气带【1 0 】，【l l l 1 1 2 1 。在光子品体中的缺陷，理论上可以被设计成任何形状和大小，而且 还能选择各种具有不同介电常数的材料来制造，从而，缺陷引起的能级可以根据设计被调节 到任何频率范围。光子晶体的这些性能使人们在改造和控制光的性质的能力上有了新的突 破。 1 2 光子晶体的应用 自从上个世纪7 0 年代以来，计算机芯片的运算速度得到了大幅度的增长，但近年来总体 增长速度逐渐趋缓，目前的电脑是依靠半导体晶体来控制电子信号的。而光传输数据相对电 子传输数据其速度有本质上的提升。用光子替代电子实现通讯及计算机的革命，其关键在于 光子器件。光子晶体是实现光传输的极佳载体。 1 2 1 光子晶体应用在微波天线上【1 3 1 【1 4 l 微波天线中表面波的存在是个严重的问题，会降低天线的效率，使天线的方向图恶化。 利用光子晶体具有光子带隙这一基本性质，可以将光子晶体作为天线的基底，通过对光子晶 体结构的设计。使天线发射的电磁波的频率位于其光子带隙中，这样光子晶体就成为一个理 想的反射镜面，克服了传统微波天线中大量能量被天线基底吸收而导致效率很低的情况，实 现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中嗍。 光子晶体带隙天线还有个优点就是能在恶劣的环境中使用。传统的电磁天线和传输线都 是金属制作的，其导电性容易受环境的影响，如高温、腐蚀性环境、高压、湿度等都会影响 其工作。而光子带隙天线或传输线可以直接制作到航行器、太空飞船或其他结构体上。光子 带隙天线对工作频率以外的电磁频率的散射很小，可以减小工作于不同频带的电磁天线间的 干扰。第一个以光子晶体作为基底的偶极平面微波天线于1 9 9 3 年在美国研制成功。 1 2 2 光子晶体滤波器1 1 6 1 基于j o h n 在1 9 8 7 年提出的光子晶体的另一主要特征光子局域，在一种经过精心设计 的无序介电材料组成的超品格中，光子呈现出很强的a n d e r s o n ) 蜀域，通过在光子晶体中引入 缺陷，使得在光子带隙中产生频率极窄的缺陷，电磁波一旦偏离缺陷处就将迅速衰减，这样 可以制造高性能的光子晶体滤波器【1 7 】。光子晶体滤波器的特点是，其阻带区对透射光的抑 制可以达到3 0 d b 以上，而且光子晶体滤波器的带阻边沿的陡峭度可以做到接近于9 0 。禁 3 第一章绪论 带中心频率及禁带宽度决定于光子晶体的周期特性，单元结构及材料的介电特性。光子晶体 的滤波带宽可以做得比较大，适合制作宽带带阻滤波器和高通滤波器。当光子晶体中的某些 单元被取消而造成缺陷时，就会使得光子晶体的光子频率禁带出现一些“可穿透窗口”，即 光子频率带内的某些频率会毫无损失地穿过光子晶体。光子晶体的这一特性可以用来制作高 品质的极窄带选频滤波器。另外光子晶体为这种器件的小型化提供了一条特殊的研究途径， 有可能将其缩小至光波波长的尺度，约1 5 5 微米。 1 2 3 光子晶体波导f 1 叼 波导是光学积分电路的关键元件，他们连接如电磁波源、调制器、波分复用器和探测器 等元件。光子晶体波导在1 9 9 4 年由r d m e a d e 等人提出以来得到了迅速的发展。在三维光子 晶体中引入缺陷，频率在光子晶体带隙内的光将被限制在这一线缺陷内传播。在二维光子晶 体中引入平面缺陷就构成平面光波导。这是一种新型的导光机制。由光子晶体制作的耦合腔 波导具有体积小、可偏折角度大、损耗小的特点。金属波导管只在微波段实现无损耗波导。 传统的体积光学波导以及光纤制作的波导，其弯曲角度必须很小才能使光不至于离开波导。 然而，光子晶体中由缺陷所形成的波导，其弯曲角度甚至可以达至u 1 2 0 0 以上，也不至于有太 多的损失，这是明显优于光纤波导的特点。 1 2 4 光子晶体光纤 光子晶体光纤，又称为微结构光纤或多孔光纤，这一概念由r u s s e l l 等于1 9 9 2 年提出。这 种光纤的包层是有序排列的二维光子晶体，其纤芯是一个破坏了包层结构周期性的缺陷。这 个缺陷可以是固体硅，也可以是空气孔。根据光子晶体光纤的传输原理，我们一般把光子晶 体光纤分为两类：基于光子带隙效应和基于全内反射效应。 ( 1 ) 基于光子带隙效应。在周期性的空气孔光纤中心人为引入额外空气孔在周期结构 的禁带中产生局域态，这种额外的空气孔就是导光通道。与传统的光纤完全不同，在这里传 播光是在空气孔中而非氧化硅中，可导波的范围很大，从而增加数据传输量。又因为是以空 气作为传输介质，抑制了非线性效应，其光的传输功率大幅提高且基本上无能量损耗，是理 想的波导元件。 ( 2 ) 基于全内反射效应【l9 】。中间空气孔缺失而引起缺陷，会使中间的缺陷区域和外围 的周期性区域出现有效折射率差，从而使光以全反射传播，中间的缺陷相当于纤芯，而外围 4 第一章绪论 的周期性区域相当于包层。全反射型多孔光纤与传统光纤相比有效折射率差要大得多，所以 波导色散对介质色散的补偿的贡献较大。它的另一个显著的特点是全波范围内的单模传输特 性，也称为无休止单模传输。光子晶体光纤的全波长单模特性与绝对尺寸无关，光纤放大或 缩小照样可以保持单模传输，这表明可以根据特定需要来设计光纤模场面积。光子晶体光纤 的特殊光学特性使得其在光子器件领域具有广阔的应用，如色散补偿、非线性光纤器件、传 感器、带通滤波器、大功率光纤激光器等。 1 3 光子晶体的研究历史与发展 1 9 8 7 年，美l 亘b e l l 实验室的e y a b l o n o v i t c h l l 】和p r i n c e t o n 大学的s j o h n 2 0 1 分别在讨论如何 抑制自发辐射和无序电介质材料中的光子局域时，各自独立地提出了“光子晶体”这一新概 念。 1 9 9 0 年美国i o w a 少h 立大学a m e s 实验室的研究人员k m h o 等通过计算验证金刚石存在 光子禁带。 1 9 9 1 年y a b l o n o v i t c h 自己制作出第一个具有全方位光子带隙的结构，光子带隙为i o g - 1 3 g h z ，理论计算和实验测量的结果吻合得非常好，进而首先在微波波段用试验验证了光子 禁带的存在。 1 9 9 3 年美国研制出反射率接近1 0 0 的光子晶体偶极子天线，使得天线效率大大提高， 并于1 9 9 5 年申请了专利。 1 9 9 6 - 1 9 9 9 年，q i a n 和c o c c i o l i 、k e s l e r 等相继研制出光子晶体微带贴片天线，抑制了谐 振模式，有效地消除了表面波的影响，提高了天线效率。 1 9 9 8 年，美国国防部高级研究计划局( d a r p a ) 投入2 4 9 0 万美元设立以光子晶体为技术 支撑的“重组天线计划”，与此同时， s c i e n c e ： 杂志在1 9 9 8 年底预计未来的六大研究热点 之一就有光于晶体( 其余为衰老、对付生化武器、吸热池、哮喘治疗、全球气候走向) 。 1 9 9 9 年，英国投入1 2 5 0 万英镑开展“超快光子学合作计划”，光子晶体为其中的关键技 术之一。同年，美国m i t 研制出光子晶体反射镜，在特定波长范围具有全反射功能；美国m i t 和英国b a t h 大学制备的光子晶体光纤光缆，传输的能量或信息成倍增加，理论上能够无损耗 远距离传输，并且能够传输高功率激光。 2 0 0 0 年欧洲信息社会技术委员会( i s t ) 启动了光子晶体光子集成线路计划。 2 0 0 1 年，日本制定了至2 0 1 0 年的光子晶体中长期技术开发规划。 5 第一章绪论 2 0 0 2 年，s t a n d r o w s 大学制备的离子刻蚀半导体基光子晶体，利用光子晶体超色散效应 研制的光子晶体波分复用器件具有非常高的品质。 近几年来，我国政府和科技界对光子晶体的研究也给予了相当的重视。光子晶体的研究 先后得到了国家“8 6 3 计划”( 包含光电子器件和光电子、微电子系统集成技术主题。激光技 术领域等方向) “9 7 3 计划”( 国家安全重大基础研究项目“军用光子声子晶体基础研究”) 的支持。2 0 0 0 年国家自然科学基金资助6 项课题：2 0 0 1 年的指南中已列为重点研究项目，所 资助的领域涉及光子晶体的理论研究、制备表征和应用等多个方向；2 0 0 4 年国家自然科学基 金在重大基础研究项目中对光电信息功能材料( 光子晶体) 进行了重点资助( 1 0 0 0 万人民币) 。 我国科学工作者在光子晶体材料的基础研究方面取得了一些令人瞩目的研究成果：我国 中科院物理所顾本源等给出了一个普通描述光子晶体中辐射衰减的广义洛伦兹谱公式；中科 院物理所光物理室提出了准晶和非晶光子晶体的概念；浙江大学何赛灵等提出了光子晶体负 折射率介质的新应用：清华大学周济等提出了基于铁电陶瓷相变和光电效应的可调带隙光子 晶体；复旦大学资剑教授课题提出了光子晶体偏振器；中国科学院物理研究所张道中教授提 出的准晶结构光子晶体等均在国际同行中产生了一定的影响。 1 4 波分复用器的发展 目前发展的波分复用器主要有以下几种： ( 1 ) 薄膜波分复用器：是基于介质薄膜构成的。薄膜w d m 器的基本结构是基于法布里 一泊罗( f - p ) 标准具，f p 标准具由腔和反射镜构成，可作为带通滤波器。带通的中心波长 由腔长确定，且必须精确地控制到1 1 u 标准频率。窄带薄膜干涉滤波器由两个以上的f - p 腔 构成，所以也称多腔干涉滤波器，其腔之间通过介质反射层隔离，每个腔包括5 0 层以上的多 层结构。薄膜波分复用器的显著优势是结构简单，价格相对较低。但是对较多通道复用的情 况，需要大量滤波器的级联。一方面会增加成本，另一方面会引起较大插入损耗。因此这样 的波分复用器主要应用于通道数不多的小型网络里。 ( 2 ) 基于光纤光栅的波分复用器：光纤光栅( f b g ) 是一种很重要的光通讯器件，工 艺上是利用光纤的光敏特性，通过紫外( u v ) 激光照射掺杂g e 0 2 的硅玻璃，使得单模光纤 中折射率短周期变化，其折射率的周期为l 2 波长，f b g 利慝 b r a g g 衍射的原理，将光纤中满 足b r a g g 共振的波长由正向模传播耦合成反向模传播。通过调节f b g 折射率变化的范围和或 变化量可控制通带宽度。利用f b g 的解复用器具有的显著优势是低的损耗( 0 1 d b ) 、低的偏 6 第一章绪论 振相关损耗( p d l ) 和低成本封装特性。但是和薄膜滤波器一样，一个f b g 只能对一特定波 长进行滤波。当w d m 网络通道数较多的时候，将使得器件结构变得庞大复杂，且不稳定性增 加。 ( 3 ) 体光栅波分复用器：是一种空间上的全息光栅，和f b g 类似，通过曝光将b r a g g 光栅写入介质当中。但f b g 是一个一堆结构的光栅，一个光栅只能对一个特定的波长进行滤 波，而体光栅是指将多个b r a g g 光栅写入同一个空间介质里，而每二个b r a g g 光栅对一个特定 的波长滤波，靠这样的方法实现对多个波长的解复用。比起通常的解复用器，由于体光栅解 复用器每个波长使用不n 的b r a g g 光栅，而不是不同波长使用同一个衍射谱，因此器件具有 很好的波长稳定性和通道均匀性，各波长衍射的峰值强度几乎在同一水平线上。此外该器件 还具有衍射效率高、偏振不敏感等特性。但这样的器件不利于批量化加工，器件尺寸也较大。 ( 4 ) 平面集成波分复用器：是基于半导体集成工艺设计制作的一些波分复用器件。平 面波导复用器有波长间隔小、通路数量多、通带平坦等特点，是非常适合d w d m 系统用的 无源器件。 ( 5 ) 光波分复用器：能将不同波长的光信号组合起来传播，又能将组合传输的光信号 分别送入不同通道。用光子晶体实现多通道波分复用的原理是综合了缺陷腔模耦合和导波特 性。将光子晶体的一部分移去形成一根波导，按照带隙原理，频率落在带隙内的所有光波将 通过波导无损耗的向前传播。目前，基于波导和微腔耦合原理的波分复用引起了人们极大的 关注【2 。 1 5 光开关的发展 世界市场光开关的需求量在九十年代初、中期增长缓慢，只有数十万件。但在九十年代 后期，随着全光网络的兴起、发展，经济信息化过程的加快，特别是全球范围光交换机及其 交换矩阵系统市场需求猛增，系统设备销售2 0 0 6 年增长至3 2 亿美元，对光开关的需求也急剧 上升。根据日本光通信行业的统计。九十年代末世界光开关年需求量近百万件。据外刊报道， 北美九十年代末光开关的需求量为数十万件。据统计，世界光开关年销售增长率己达n 1 3 。 光开关在国内光无源器件市场所占份额较小，随着全光通信网络系统的开发、应用，国内市 场需求量将会大幅度增长。因此，对于国内厂商而言，光开关的制作是难得的机遇，更是巨 大的挑战。 目前发展的光控光开关主要是以下几种【2 2 1 ： 7 第一章绪论 ( 1 ) m a t h z e n d e r 型光控光开关【2 3 1 。m a c h z e n d e r 型光控光开关是目前研究最多，使用 最多的一种结构，它是一种干涉型光开关。目前，开关速度不受载流子寿命限制的对称m z 型结构已经被应用于研究和制造超快全光开关。对称m - z 开关有两个非线性工作的波导臂， 两束控制光分别注入到非线性波导臂后，将改变波导的折射率，使得该波导臂的光程发生相 应变化，形成相干增强或相消，达到开关的目的。 ( 2 ) 平面反射型光开关口4 1 。平面反射型光开关是在表面淀积金的反射镜，利用半导体 的可饱和吸收特性工作的。在没有控制光入射时，信号光几乎被完全吸收，处于没有反射的 断开状态。在控制光入射后，由于控制光引起了吸收饱和，使得信号光的反射率大大提高， 达到了接通状态。为了提高开关速度，有研究人员在低温下生长掺b e 的具有非线性特性的 i n g a a s i n a l a s 多量子阱结构，大大的缩短了载流子寿命( 删田薹“( 船址矽础缸 c 2 s o ， m 是计算时间范围总的步数。 2 2 3 介质波导定向耦合原理【3 5 1 w a v e g u i d c1 图2 - 3 普通介质波导定向耦合器结构 如图2 3 所示为普通波导定向耦合器结构示意图。根据耦合波的一般理论，可以写出耦 合波方程 掣叫届q ( z ) + 鸦l 口2 ( z ) ( 2 5 1 ) 掣= 一隅呸( z ) + 粥：喇 ( 2 5 2 ) 式中 口l ( z ) = 4 ( z 矿卿 ( 2 5 3 ) 口2 ( z ) = 4 ( z ) p 一庳 ( 2 5 4 ) 4 ( z ) 、4 ( z ) 是模式场五和易的幅度，心。 k 1 2 称为耦合系数。 由上式可以看出，耦合系数直接决定了波导之间相互影响的大小。一般来说，耦合系数 满足如下互易性 k 1 2 = k ；l ( 2 5 5 ) 如果两根波导结构及介质参数都一样，则有 q 2 = k 2 1 ( 2 5 6 ) 1 8 第二章光子晶体多路选择器 此时，波导1 和波导2 中传播的功率分别为 丑( z ) = 口l ( z ) 口：( z ) = 彳c o s 2k z p 2 ( z ) = a 2 ( z ) a ：( z ) = 彳s i n 2 乜 ( 2 5 7 ) ( 2 5 8 ) 说明光功率在波导1 和波导2 之间周期性交换。如果s i n 2 乜= l ，则光功率完全耦合到波 导2 中。 光子晶体耦合器的耦合长度为 三= 0 5 等乓厶c ( 2 5 9 ) 国 9。 其中，彩由光子晶体的能带计算可以得到，国为工作频率，为群速度，矗为中心 波长，c 为光速。 2 3 光子晶体光波导 如1 虱2 - 4 所示为二维正方点阵结构的光子晶体。白色区域代表空气介质，相对介电常数 g = 1 ，圆柱代表介质柱，相对介电常数= 7 2 9 。该结构的晶格常数口= 5 0 0 n m ，介质 柱的半径，_ = 0 2 5 a ，砂平面代表纸面，z 方向垂直于纸面。该结构的第一布里渊区如图2 5 所示。 图2 - 4 二维正方点阵结构光子晶体 图2 - 5 第一布里渊区 首先我们用平面波展开法计算得到其t e 电磁波带结构图。由其能带结构( 图2 - 6 ) 我们 可以看到，在基模( ，z = 0 ) 和一阶模( 玎= 1 ) 之间存在一较大禁带，归一化频率在o 3 2 0 4 1 ( 单位为c o a 2 z r c ) 之间。我们也看到，在高阶模之间也存在禁带，但一般设计光子晶体时 都是通过设定参数，使禁带出现在基模和一阶模之间，高阶模式之间的禁带应用相对较少。 1 9 第二章光子晶体多路选择器 t eb a n ds t r u c t u r e t _ r ：一? 。 ：，? + ：? ：i ，“ 。 y ，- f ，v ，y v ， 一，_ i 。 - 。j ：! “一! 鬈：i ：- 一r ：- ” 缓黝缓黝钐缓形獭 i _ _ 。一+ ： “ v 、。 。7 r xm r 图2 - 6 能带结构 在图2 4 所示的二维光子晶体内引入线缺陷，得到二维光子晶体波导，如图2 7 所示。由 光子晶体的理论分析我们知道，当电磁波在光子晶体中传播时，由于存在布拉格散射而受到 调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙，所有能量处在光 子带隙内的光子，不能进入该晶体。接下来我们来验证，只有在禁带范围内的光才能沿着缺 陷传播。 图2 7 光子晶体波导结构图 激励源设置为高斯脉冲，厂( z ，y ，z o ) ：g 等 p 眵) ，其中口：w 2 ，b ；h 2 ，w ，灰激励源设置为高斯脉冲，厂( z ，z o ) = 小，小铲? ，其中口= w 2 ， = ，w ，五 分别为此高斯脉冲宽度和高度的的1 e 。时间步长的选择要求满足稳定性条件： c a t s 0 0 4 4 2 , u m ，我们取c r = 矿耐一s i z e 2 。 选取禁带范围之外的光，波长允= 4 a 入射，如图2 - 8 所示，光波从却甜端口射入后能 够在光子晶体内部传输；反之，我们选取禁带范围之内的光，波长兄= 2 5 a ，由图2 9 所示， 8 7 6 5 4 3 2 1 o 0 o o o o o o o o (案-3u志i3各写寻。正 第二章光予品体多路选择器 显然光波并没有进入光子晶体内部，而是沿着缺陷传播。这就验证了“只有在禁带范围内的 光才能沿着缺陷传播”。 伯jl i 鎏橐銎i 嚣曳塞j 缓毯i 戮茗囊| i | 嚣j l 瓣o _ l l o l ooq蒸ao o ooo ooo豢oooo | co|o纛o|oolo|oj coo誊oo o o ；嘲嚣嚣剽鞣薹薰 l 燃燃糕瓣| | | | | | | | | ； m jl ；冕藕：! 窭葚蓍搽藏i 羹翳辫裳| | ；辫 0r 1 1 0 叫oo o ooooooo o o oo o oo 口0 0 0 0 0 0 0d o a00 0 00 0 0 00 0 0a0d000 疆100 0 00 0 0 0d00000 0 0o0 0 000000000o0 0 0 口0 0 00d0000000 j_ a0 口o0 0 0 00 0 0 0oa00ao o000 0 000000000000000 0 0 口0 0 0 0 l 姑 0 0 0 00 口0 00 d 0 00 0 0 00 0 0 口0d 0 0 00 0 00 0 0 00 0 0 00d o o0d o o0 j 10 0 0 口00 0 00 d 0 000 0 00000000000000 0 0 00 0 0 00 0 0a 0 d 0 00 i 曩叫0d 0 00 口o0000000 0 00 0 0 a00000d000d 0 口0d 0 q0 口0 0 0 0 0 0 0 】一100 0 c0 0 000d0000 0 00 0 0 a0000000000 0 000000 口00 0d 0 00 1o0 0 0 口0 0 00000a0 0 ao0 0o 000000000 0 0 00 0 0 00 0 00 00 0 0o j 叠一 1 o0 0 0a 0 0 00 0 0 0od 0 0 00 0 0 00 00 od 0 00d 0 0od 0 0d 0 0000000 l 曼f 00 0 0o d 口o0 0 0 00d o c0 0 0 0o 口0 口o0 0 0 00 0 00 d 0 00d 0 0d 0 0 00 l 譬皇0 _ l # l l t 4i $ t 女- i _ n1 0 0 0 0o0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 c o o o 口o 0 0 0 0 d o a o0 0 000000 0 000 - o ao 】盔1 口0 0 0 口d 0 0 0 0 0 0 00 0 0 口0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0 口0 00 0 0 0 0 口l 1 _4od 00 0 0 0 0 0 0 000 0 co0 0 00 0 0 0a 0 0 00 0 0 00 0 0 00d0000000 翻100 0 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o o i ，o oo o o oo o 日o o o o o o ) n o o io 0 nn oooo0d o o o o o o o o o 日oo o