光子晶体滤波器的设计研究

【摘要】：光滤波器是光子技术的基本元件之一,在光通信和光学信息处理方面有着广泛的应用。光滤波器的质量和体积等参数直接影响到它的应用价值。光子晶体具有光子频率禁带,一块光子晶体就是一个天然的理想带阻滤波器；而通过在光子晶体中制造缺陷的方法,可以实现窄带滤波。光子晶体滤波器的特点是,滤波性能远优于普通的光滤波片,在阻带区对透过光的抑制可以很容易地达到-30dB以上。另外,由于光子晶体都是使用对光波几乎没有损耗的介质材料制成的,所以光子晶体滤波器对通过波段光波的损耗非常小。和传统的滤波器相比,光子晶体滤波器的滤波带宽可以做得比较大,实现大范围的滤波作用。钻石结构光子晶体的滤波带宽可以做到中心工作频率的20%,而由GuPta等人所提出的金属-介质复合型光子晶体可以将从低频率(接近零赫兹)直到红外波段的电磁波完全滤掉,这是传统滤波器难以实现的。 此外,当前随着因特网以及移动通信业务的发展,通信领域中的通信容量正在以爆炸式的方式增长。因此,如何提高当前通信网络的通信容量是目前急需解决的一个问题。光纤在低损耗光波区具有近30THz的巨大带宽,通常可以采用提高单信道的通信速率、铺设新的光纤网路、增加单芯光纤信道数等方法来提高光纤通信系统的容量。前两种方法由于受到技术条件和成本因素的制约,发展潜力不大。而利用波分复用(WDM)技术及密集波分复用(DWDM)技术可以在一根光纤中同时传输多路通信信号,该方法是目前提高通信容量的最有效的方法,窄带滤波器是该系统的核心部件。 光子晶体不仅可以作为光波导器件有效地引导光的传输,还可以利用点缺陷和线缺陷制备基于光子晶体的波分复用器件,来实现更多的功能。利用光子晶体制作的波分复用器具有结构简单、信号波形好、交叉干扰小等特点。而且在光频范围内,光子晶体晶格的尺寸一般在亚微米级,有利于实现光学器件的小型化。因此,利用光子晶体制造光频范围的波分复用滤波器引起了科技工作者的高度关注。 本文进行光子晶体滤波器设计研究的目的是,结合目前国内外的研究成果和经验,通过改变光子晶体微腔的结构,提高微腔的品质因子(Q值),使得特定频率的光在微腔内形成驻波,光子晶体微腔的光场强度分布呈现高斯形状,然后在微腔附近设计波导,通过波导将特定频率的光从光源中分离出来,从而实现窄带滤波,有效地引导光的传输,进而为提高光纤的通信容量提供理论参考。