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一维薄膜光子晶体理论与应用研究

作　者: 秦小芸
导　师: 顾培夫
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 一维光子晶体超晶格结构滤光片倾斜入射理论与应用透射峰棱镜空间色散群延迟峰值波长
分类号: O734
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

光子晶体不仅具有理论价值，更具有广阔的应用前景，自从其诞生就引起了研究者的浓厚兴趣。本文以一维光子晶体的理论分析为基础，主要研究了一维光子晶体超晶格结构和一维光子晶体超棱镜效应，并基于此开发了一维薄膜光子晶体器件和应用，主要涉及了以下几个方面的内容： 1．基于一维光子晶体超晶格结构能带调整，提出了薄膜多峰滤光片设计的一种新机理。提出了两种薄膜多峰滤光片的设计，一种是基于两个一维光子晶体的迭加，在两者禁带和能带交叠的区域出现了多组含多个透射峰的通带，另一种基于三个光子晶体的迭加。讨论了结构中不同参数对于器件通带特性的影响。 2．利用一维薄膜光子晶体超晶格的概念，提出了新的偏振带通滤波器的设计方法。这种TM偏振分量透射而TE偏振分量反射的新型带通滤波器，是基于一维光子晶体能带结构中TM模与TE模的差异，及超晶格结构中不同光子晶体中能带相互作用的综合效果。用紧束缚的方法解释了透射峰数值与重复周期s之间的关系，并由此改进结构，增加缺陷层之问的距离减少缺陷模的耦合来控制偏振滤波器的透射通带数目，改进光学性能。 3．基于光在光子晶体中的传播的初步探讨，研究了规整周期性的一维结构的超棱镜效应和非周期性一维结构中类似的群速度效应，讨论了空间色散与时间色散之间的关系，分析了光在一些典型的非周期结构中的行为。 4．利用薄膜法布里—珀罗腔滤光片在峰值波长处具有较大的群延迟的特性，我们设计并从实验上验证了光束倾斜入射时这种结构中存在的超棱镜效应。实验可以明显探测出不同波长的入射光对应了不同的出射位置，测试结果表明透射峰值波长处的空间色散最大位移值达到65μm，在782nm至787nm波长范围内器件的色分辨率可以达到3.4°／nm。实际测试曲线与理论模拟结果吻合得很好。 5．提出了具有改进双啁啾镜结构的两种空间解波分复用器的设计。一种是将初始双啁啾镜的布拉格膜重复相同周期来提高空间线性侧向位移，克服了波长之间分辨率不够高的缺点，获得不同波长的光束出射时更大的空间分离；另一种是根据需要将初始双啁啾镜的不同布拉格膜重复不同周期以改善线性空间位移的不足，得到了在信道中心附近有一定波长漂移容差的“类台阶”空间位移特性，实现了空间解波分复用。 6．根据超棱镜效应中空间位移与群延迟之间的关系，提出了基于改进Fabry-Perot腔结构、工作于倾斜入射状态的空间interleaver的设计。这一器件可以将不同的透射通道在空间上同时直接分离，无需后接滤波器进行串行处理，利于集成。通过本论文的研究，无论是一维光子品体的理论、设计还是应用方面都取得了卓有成效的进展。

全文目录

第一章绪论  8-30
  §1．1 光子晶体的发展背景与基本概念  8-9
  §1．2 光子晶体的特性与结构  9-13
  §1．3 光子晶体的理论研究方法  13-15
  §1．4 光子晶体的制作  15-23
    §1．4．1 机械钻孔的方法  15-16
    §1．4．2 逐层叠加的方法  16-17
    §1．4．3 逐层刻蚀的方法  17-18
    §1．4．4 全息光刻的方法  18-19
    §1．4．5 基于传统薄膜工艺的方法  19-21
    §1．4．6 自组装的方法  21-23
  §1．5 光子晶体的应用  23-27
    §1．5．1 光子晶体波导与光子晶体光纤  23-25
    §1．5．2 高效率的光源  25-26
    §1．5．3 光子晶体的其他应用  26-27
  §1．6 光子晶体发展的前景  27
  §1．7 本论文的研究内容和创新点  27-30
第二章一维薄膜光子晶体超晶格结构的研究  30-50
  §2．1 引言  30
  §2．2 一维光子晶体超晶格的能带结构  30-39
    §2．2．1 一维光子晶体的能带结构  31-34
    §2．2．2 一维光子晶体能带结构的计算方法  34-36
    §2．2．3 一维光子晶体超晶格结构示例及相应的能带结构  36-39
  §2．3 基于一维薄膜光子晶体超晶格的多峰滤光片  39-44
    §2．3． 1 二个光子晶体的情况  40-42
    §2．3． 2 三个光子晶体的情况  42-44
  §2．4 基于一维薄膜光子晶体超晶格的偏振带通滤波器  44-48
    §2．4．1 设计原理  44-45
    §2．4．2 器件设计与分析  45-48
  §2．5 小结  48-50
第三章基于一维薄膜光子晶体超棱镜效应的研究  50-75
  §3．1 引言  50-51
  §3．2 一维光子晶体超棱镜效应的理论分析  51-52
  §3．3 空间侧向位移与时间色散之间的关系  52-54
  §3．4 具有空间位移的非周期性结构  54-56
  §3．5 薄膜Fabry-Perot滤光片中的超棱镜效应  56-59
    §3．5．1 理论设计与数值模拟结果  56-57
    §3．5．2 实验制作与测试结果  57-59
  §3．6 多周期双啁啾镜结构的空间解波分复用器  59-67
    §3．6．1 基本原理  60-62
    §3．6．2 模拟计算与比较  62-67
  §3．7 以“类台阶”空间分束实现解波分复用的多周期双啁啾镜结构  67-71
    §3．7．1 基本原理  68-69
    §3．7．2 理论上具有“类台阶”空间分束特性的双啁啾镜结构  69-71
  §3．8 基于F-P腔的空间Interleaver结构  71-73
  §3．9 小结  73-75
第四章总结与展望  75-77
参考文献  77-82
攻读硕士学位期间完成的论文情况  82-83
致谢  83

一维薄膜光子晶体理论与应用研究

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