二维光子晶体薄板暨光逻辑器件理论研究

【摘要】： 本课题重点研究二维光子薄板内的模式和外部模式耦合的一些光学特性,发现了一些新的光学现象,在此基础上设计了一些功能器件;以前人们研究光在二维光子晶体薄板内传播的特性时,由于所设计的波导结构均为介质波导,未出现空气波导结构,因此本课题也设计了一种基于二维光子晶体薄板复合结构的空气波导的结构,并对其光学传输特性进行了研究;在最后一章对光逻辑器件进行了一些试探性的研究工作,希望能和前面发现的新现象和新器件结合,在未来的工作中设计出更加紧凑的光逻辑器件。 本课题具体工作如下: (1)独立建立了光子晶体频域和时域仿真的分析技术。在频域仿真技术中,平面波展开方法可以用来求解光子晶体的能带图;散射矩阵方法,适用于完整的二维光子晶体薄板的光学特性的研究,特点是速度快,稳定性好;时域仿真技术应用时域有限差分方法,不仅适用于二维光子晶体薄板的光学特性的研究,而且适用于三维任何形状的光子晶体器件的研究。由于可以利用两种仿真技术对结果相互验证,因此所计算结果的可靠性大大提高。 (2)研究了椭圆孔二维光子晶体薄板不同于均匀介质平板的Brewster角分布,我们发现只要适当的设置二维光子晶体薄板的参数,薄板总可以存在类似均匀薄板Brewster角的光学特性。但是它的分布和传统的均匀介质薄板的Brewster角有很大不同。 (3)研究了相位对二维光子晶体薄板中的传导共振的影响,并提出利用相位控制二维光子晶体薄板中的传导共振的方法,这种方法不仅适用于对称的二维光子晶体薄板,也适用于非对称的二维光子晶体薄板。我们设计了非对称的二维光子晶体薄板外加一层介质反射镜来验证我们的理论。而且这种方法可以应用到带点缺陷的二维光子晶体薄板中,此时点缺陷内的共振模式是垂直方向上的泄漏模式。 (4)将一维全方向全反射光子晶体和二维光子晶体薄板结合,组成复合结构,设计了复合结构的空气波导,并研究了光在空气波导中的传输性质,计算结果表明,通过适当的设计和优化,光可以在直线波导和60度角拐弯波导中无损耗的传播。这种结构比三维光子晶体结构的空气波导制作相对要简单。 (5)利用二维光子晶体薄板中的特殊光学性质,设计了一种可以二维集成的光学滤波器,并在此基础上设计了一种平顶的光学滤波器。此平顶光学滤波器的设计结构只是在原来结构上稍作改变,而不需要增加任何新的结构。 (6)提出了一种基于波长控制的非逻辑门的设计。所谓基于波长控制的非逻辑门就是当输入端输入λ1的一个脉冲光波时,输出端输出λ2波长的光波,并且保持这种状态。输入端输入λ2的一个脉冲光波时,此时输出端输出λ1波长的光波,并且保持这种状态。两个状态改变所需要的时间大约在0.1ns左右。