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光子晶体光波导及光学器件 汇报人：徐婷 光子晶体光波导 传统光波导 一、光子晶体光波导 1、一维PCW 2、二维PCW 材料上 结构上 3、二维直角PCW 3.1直角透射式 介质波导在曲率较大处有较大辐射损失，为了减少该损失，最好使模式频率位于PC带隙内，PC线缺陷可以将模式线性局域在带隙内实现几乎无损失传输 3.2反射式PCW 传统波导在弯曲部分损耗大，但直线波导传输损耗低，色散小； PCW通过线缺陷控制光波传播方向，弯曲损耗小，散射损失大 a图全反射；b图大部分耦合进入PC；c图完全进入PC中 4、弯形二维PCW 该结构带隙频率为0.31~0.44 取 的电磁波，由图知：弧形波导反射损失大大小于折角波导。 二、光子晶体光分叉波导 1、光子晶体光分叉 光分叉是将一束光波分为两路甚至多路传播，从而控制光的传播方向。 1.1Ｙ型波导光分叉 可调谐式的马赫－曾德PC干涉仪 1.2光能量分离器 线缺陷波导式光子晶体能量分离器，三角空气孔晶格构成的线缺陷二维光子晶体波导结构，如图所示： 1.3偏振光分离器 2、光子晶体光耦合波导 当光子晶体中的两个波导靠得很近时光耦合效应十分显著，利用该效应可制备各种定向耦合器。只有相同相速度或传播距离相等的两个模式才可能发生功率交换，所以当两个波导相同，相自然同步，两波导的传导模式也是同步的，则传导的光波可以相互耦合。 三、发射方向可控性PCW PCW不仅可以导光，改变光的传播方向，还可以改变光的发射方向。由于光从远小于 的区域射出会产生衍射效应和角扩散，发现电磁波从纳米量级的孔透过时会减小角分布，而在亚微米波长的开口由周期性排列的波纹环绕，使光波在孔中心轴之外的区域发生相消干涉，从而产生方向性发射。下图为亚微米波长的Si线缺陷PC直波导。 a为横向强度分布，b-i分别为探测器距输出端不同距离的光束横向强度分布图，可知随探测器长度增加，光束剖面没有产生显著扩展，因为光在波导中没有任何限制。 用FDTD模拟光波的传播，其在不用PC输出结构的输出端强度分布图，可知，光束发射方向对PC端的发射结构有依赖性 a图是在PC中增加一个点缺陷，光在其表面的发射角和发射方向；b图是光通过无点缺陷的PC波导表面射出时，方向呈半球形发射，发散角很大。 由以上可知：在PC表面引入点缺陷后，输出光束的发散角显著减小，有效控制了光的发射方向。 四、光子晶体滤波器 2、两个点缺陷和线缺陷波导构成的PC滤波器 3、多通道分束滤波器 由以上可知：通过控制点缺陷的位置和线缺陷的方向可以控制滤波的频率和方向，通过设计点缺陷的几何形状达到调谐滤波器频率的目的。 * * * 传输速率快 损耗率低 稳定性好 设计灵活、改变其结构和参数便于制备各种类型光波导 损耗大 传输稳定性差 光波难以弯曲，使光学元件集成化变得困难 空气缺陷层 a中在 和 处，两波导透过率几乎相等，说明在 处损失几乎为零。 b 、c分别为折角波导和直角波导的理论模拟、实验测量的透射图，在 和 处理论和实验数据几乎重叠，而直角波导的透射率超过了80%。 在 时两输出端的光透射能量相等，均为46%~47.6%，下图为场分布图，看出分离的两输出波与入射波具有很好的对称性。 PC-CWG分离器可将从左侧入射的光波分为垂直（TM）和水平（TE）偏振光 下图a中，TM偏振光反射率达到99.3%，只有0.06%进入PC区；b中TE偏振光99.0%进入水平波导，只有0.16%反射到垂直输出波导 利用点、线缺陷设计 转角的滤波器、直通道滤波器及多通道滤波器 1、一个点缺陷构成空腔，线缺陷构成输入/输出波导 * *