光放大用二维光子晶体及其波导的理论研究

【摘要】： 光子晶体是一种介电材料在空间呈周期性排列的人造晶体,由于其对电磁波传播行为的可控性,基于光子晶体的光学器件存在广泛的应用前景。目前二维光子晶体中引入线缺陷形成的光子晶体波导是该领域内的一个重要研究方向。Rsoft软件的模拟器BandSOLVE和FULLWAVE分别是基于平面波展开法和时域有限差分法对光子晶体进行仿真模拟。本文主要是采用这两个模拟器对光子晶体波导进行分析和设计。 本文研究了三种常见二维空气孔晶格结构即正方晶格,三角晶格和蜂窝晶格。首先针对三种晶格结构,利用平面波展开法,研究二维完整光子晶体能带结构。根据统计的模拟结果,分析了光子晶体带隙与晶格结构、填充比和本底折射率的关系。并且找到了可以应用于光子晶体波导的带隙结构。 然后我们挑选具有代表性的三角晶格空气圆孔结构,通过设置本底折射率为5和填充比r/a=0.42,对其引入线缺陷构成光子晶体波导。对缺陷带结构进行模拟,同时在可以传输的所有局域缺陷模式中,找到两个落在原来光子带隙中的无量纲频率0.47和0.3,分别与980nm泵浦光和1530nm信号光匹配。根据PBG=α/γ,得到同时对应两个传输波长的晶格常数a=460nm。返回到之前的波导中,根据填充比重新设置a=460nm和r=193nm,设计了三角晶格光子晶体直波导、60°弯曲波导、120°弯曲波导、Y形波导和多弯曲波导。对泵浦光和信号光在多种波导中的传输特性进行了模拟(多弯曲波导中只模拟了信号光的传输),对反射损耗较大的弯曲波导进行了结构参数优化。结果表明,弯曲处引入的新缺陷空气孔在极大程度上改善了光子晶体波导的损耗,并最终得到了较好的传输效果。