单向光子晶体延时波导与硅基宽频增透膜关键技术研究-通信与信息系统专业论文.docx

A Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University for Master Degree RESEARCH OF KEY TECHNOLOGY OF ONE-WAY PHOTONIC CRYSTAL DELAY WAVEGUIDE AND SILICON BASED BROADBAND ANTI-REFLECTION FILMS Author：Cai Huang Specialty: Communication and information systems Advisor: Prof. Jiang Chun School of Electronic, Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai, P. R. China 上海交通大学硕士学位论文单向光 上海交通大学硕士学位论文 单向光子晶体延时波导与硅基宽频增透膜关键技术研究 PAGE PAGE 10 单向光子晶体延时波导与硅基宽频增透膜关键技术研究 摘 要 光子晶体器件利用带隙约束导光机制，具有传统器件所没有的特性，并且器件 尺寸很小，是未来集成光路元件的理想选择。因此，它们在过去的二十年中得到了 广泛的研究。本文对基于磁光光子晶体的新型光器件——单向性光子晶体延时波导 以及硅基宽频增透膜的一些关键技术进行了研究，主要包括：设计了磁光介质的有 限差分时域法（FDTD）的仿真平台以及单向的弯曲波导，利用平面波展开法（PWE） 以及 FDTD 对提出的单向性波导进行了仿真，并对提出的弯曲的单向性波导的结构 和性能进行了系统的分析，从而为单向性光子晶体延时波导的深入研究打下了坚实 的基础。此外本文还提出了分析硅基周期性三角形表面增透膜的反射率理论模型， 并在此基础上得到了更加准确的时域仿真结果，发现该结构在非常广的频谱范围内 都具有很小的反射率，该结构对提高太阳能电池的表面吸收非常具有价值。 本论文的主要研究内容如下： 在绪论中，主要对本课题所涉及的理论基础和研究背景进行了综述。首先介绍 了光子晶体的基本概念，相关的结构模型，以及为了对光子晶体进行研究与计算所 需要的理论基础和频域的数值方法，包括本文中求解带图的 PWE。然后介绍了二维 光子晶体的特性以及研究方法，因为二维光子晶体将是本文中主要研究的对象。最 后对磁光光子晶体中的点缺陷做了详细的介绍，同时还详细论述了在磁光光子晶体 形成单向边缘模的机制，这些都是基于磁光光子晶体设计单向性波导的重要理论基 础。 在第二章中，本章开始讲述了使用有限差分时域方法求解麦克斯韦方程组的原 理，包括使用 YEE 网格离散化旋度方程，以及最佳匹配层 PML 边界条件的设置原 理。然后介绍 MIT 开发的一个开源软件 MEEP 的 C++源代码，如其中的头文件，相 关类的功能。最后在此基础上修改了相应的 C++源代码，使其可以完成对磁光介质 的仿真。 在第三章中，基于最近提出的单向性波导技术设计了一种新的策略来实现延时 波导。将一系列完美电导体(PEC)板周期性地引入到单向性直波导中构成单向的弯曲 波导，这些 PEC 板导致单向模的传输时延得到增长，同时引起额外的展宽可以在这 些频率范围内忽略不计。对于固定的中心频率与带宽的光脉冲分别为 0.56(2πc/a) 与 0.02(2πc/a)，通过周期性地插入表面光滑 PEC 板使得两个观察点之间观察到的时延 从 40.125(a/c)增加至 100.95(a/c)。同时这种单向弯曲波导对于其组成部分非磁光光子 晶体波导中的线缺陷并不是很敏感。这些优点可以使得该结构在制造时容许一定的 误差。同时由于 PEC 板式沿着波导传播的垂直方向传输的，所以这种类型的波导具 有相对较小的尺寸。在此基础上还分析了 PEC 板 45 度斜插入单向直波导的延时增强 效应以及当 PEC 板垂直于波导传输方向引入时的延时增强效应与及其中的慢光模。 在第四章中具体地分析了第三章中提出的单向弯曲波导中脉冲展宽的问题。通 过向该单向波导中周期性地引入 PEC 板，该弯曲的波导拥有超小的畸变以及增强的 延时效应，同时工作的带宽也比较宽(相对中心频率的带宽约为 1.8%)。为了研究该 波导中的色散，波导的长度设置的比较长。同时使用 FDTD 算法仿真了光脉冲在单 向的弯曲波导中的传输情况。与一个常规的 W1 光子晶体波导结构相比，在相同的 信号带宽以及传输长度下，单向的弯曲波导的半高宽的展宽约为被研究的 W1 波导 的 0.4%，同时单向的弯曲波导的群速度小于 W1 波导的群速度。这表明单向的弯曲 波导无论在时延还是在群速度色散都是很具有优势。同时可以