[信息与通信]光子晶体波导耦合器的设计.doc

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1、学校代码： 10128学 号：200820906067 本科毕业设计说明书（题 目：光子晶体波导耦合器的设计学生姓名：张陈路学 院：理学院系 别：物理系专 业：电子信息科学与技术班 级：电科08-2指导教师：杜云刚 讲师二 一 二 年 六 月内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要光子晶体是一种具有周期性折射率的人工材料，光子带隙和光子局域是人们研究光子晶体的价值所在。光子晶体波导是光子晶体中的一种缺陷态形式，频率在光子带隙范围内的光可以在波导中无损传播。光在传输过程中的耦合现象对于信号的复用和解复用有很高的应用价值。基于光子晶体波导耦合器的波分复用/解复用器件体积非常小，有利于大规模的光路集成

2、。因此，研究光子晶体波导耦合器传输特性和耦合特性有非常重要的意义。本文介绍了光子晶体和光子晶体波导耦合器的概念、传输特性。利用OptiFDTD软件设计了一个2信道光子晶体波导复用/解复用器和一个级联4信道复用/解复用器， 并对器件的传输特性进行了分析，分析结果显示2信道复用/解复用器能对1490nm和1590nm复用光进行解复用，4信道复用器能对1530nm、1550nm、1590nm和1630nm复用光信号进行解复用，实现了波分复用/解复用器件的基本功能。关键词：光子晶体；波导耦合器；复用/解复用器(MUX/DEMUX)；时域有限差分法(FDTD)；OptiFDTD软件AbstractThe

3、 photonic crystal is a periodic refractive index artificial materials, photonic band-gap and photonic local people the value of the photonic crystal. The photonic crystal waveguide forms a defect in the photonic crystal, the frequency of light in photonic band gap within the lossless propagation in

4、the waveguide. Light in the coupling in the transmission signal multiplex and demultiplex with high value. Based on photonic crystal waveguide couplers, wavelength division multiplexing / demultiplexer size is very small, large-scale optical integration. Therefore, the studies of photonic crystal wa

5、veguide coupler transmission characteristics and coupling characteristics have great significance.This paper introduces the concept of photonic crystals and photonic crystal waveguide coupler of transmission characteristics. To use OptiFDTD software design of a two-channel photonic crystal waveguide

6、 multiplexer / demultiplexer and a cascade of four-channel multiplexing / de-multiplexer, and the transfer characteristics of the analysis, and analysis showed that the two channel multiplexing / demultiplexed demultiplexer 1490nm and 1590nm complex used up, 4-channel multiplexer on the 1530nm, 1550

7、nm, 1590 nm and 1630nm multiplexed optical signal demultiplexing, to achieve a wavelength division multiplexing / demultiplexing the basic functions of the device.Keywords: photonic crystal; waveguide coupler; MUX/DEMUX; finite difference time domain method (FDTD); OptiFDTD software目 录引 言1第一章 光子晶体简介

8、21.1 光子晶体21.1.1 光子晶体结构21.1.2 光子晶体特性21.2 光子晶体的理论分析方法41.2.1 时域有限差分法(FDTD)41.2.2 平面波展开法(PWE)41.2.3 传输矩阵法(TMM)5第二章 光子晶体波导耦合器传输特性62. 1 二维光子晶体62.2 光子晶体波导特性72.2.1 正方晶格光子晶体波导特性72.2.2 三角晶格光子晶体波导特性82.3 二维光子晶体波导耦合器特性10第三章 基于光子晶体波导耦合器的波分复用/解复用器设计123.1 器件结构123.2 两端口复用/解复用器设计133.2.1波导耦合器的原包半径选择143.2.2 波导耦合器对波长的选择

9、163.2.3 两波导间隔对耦合长度的影响193.3 多信道波分复用/解复用器20结 论25参考文献26谢 辞28引 言自从半导体被发现以来，科学家们对半导体技术的深入研究和广泛应用推动了电子工业和信息产业的迅速发展，使人类进入了信息时代。 目前半导体技术已经发展为高速度、高集成化，但在发展到一定程度之后不可避免地引出了一系列问题。比如集成电路中因为阻抗的存在能量损耗过大导致芯片发热， 此外由于高速处理对降低信号在器件中的延迟提出了更高的要求，半导体器件的能力已基本到达了极限1。光子和电子都作为信息的载体，它们所表现出的性能上有很大差异。最明显的就是光子拥有更大的频带宽度和容量，通常光纤通信系

10、统的带宽都在THz数量级，而电话线的带宽只在兆Hz以下；光子作为信息载体比电子的传输速度快很多；光子之间没有非常明显的相互作用，不存在电子之间那么强的库仑作用，不仅可以减少传输过程中的能量损失，而且容易实现信号的高度平行处理等。因此，如果设想能够成为实际的话，下一代器件中光子器件将全面取代电子器件。光子晶体的概念是1987年分别由SJohn2和EYablonovich3各自独立提出来的。光子晶体在通信领域与电子器件相比有很多优秀的特点，使得世界各国科学家们对光子晶体产生了广泛的关注。正是由于光子晶体的优秀性能和在光通信系统中广泛的应用前景，有人预言在21世纪光子晶体的研究有可能推动信息技术产生

11、新的突破将人类带入光子时代。光子晶体器件经历了20多年的发展，在微带4、集成光路5、密集波分复用系统6等光纤通信领域中取得了很大成就。我国政府和科技界也非常重视对光子晶体的研究。光子晶体的研究先后被列入“863计划”，“973计划”项目。2000年国家自然科学基金对光子晶体研究的6项课题进行了资助；2001年的研究指南中将光子晶体的理论研究、制备表征和应用等列为重点研究的项目，涉及基础研究和应用；2004年国家自然科学基金会对光子晶体信息功能材料进行了重点资助。光子晶体在光纤7,8、激光器9,10、滤波器11,12、波分复用器13等应用中取得了不少成果。用光子晶体设计和制作的波分复用/解复用器

12、具有光子晶体的优良特性，加上波分复用系统的技术优势应用前景十分广阔。第一章 光子晶体简介近年来，光子晶体因为能控制光子的流动而备受关注，它的折射率具有周期性变化。光子晶体(Photonic crystal)是一种折射率具有周期性变化的人造晶体，因其结构和性质跟固体晶体相似而被称为光子晶体。1.1 光子晶体1.1.1 光子晶体结构光子晶体按照空间结构划分，可以分为一维、二维、三维光子晶体。三种光子晶体的晶格结构模型15如图1-1所示。a 一维光子晶体 b 二维光子晶体 c 三维光子晶体图1-1 光子晶体晶格结构模型一维光子晶体折射率只在一个方向上有周期性变化，由介电常数不同的两种介质片交替放置构

13、成，如图1-1(a)。一维光子晶体在垂直于介质片的方向上折射率是该方向上空间位置的周期函数，而在平行于介质片平面的方向上折射率是常数。二维光子晶体折射率在两个方向上有周期性变化，它是由许多介质棒平行而均匀地排列而成的，如图1-1(b)。二维光子晶体根据横截面的形状可划分为多种结构，有方型、三角形和六边形结构等。二维光子晶体的研究是最热门而且成果最多的。三维光子晶体折射率在三个方向上都具有周期性。由于三维光子晶体的制作相当复杂，科学家们对三维光子晶体的研究进展比较缓慢。随着制备工艺的改进，三维光子晶体的研究和制造将不是难题。1.1.2 光子晶体特性在光子晶体中，由于折射率存在空间上有周期性，所以

14、在其中传播的光波色散也会是周期性变化，如图1-2所示。与半导体相类似，介质层(棒)之间将会出现所谓“光子带隙(或光子禁带)”(photonic bandgap )。光子带隙16(PBG)是指在一定频率范围内的光子在光子晶体内的某些方向上是被禁止传播的。光子带隙依赖于光子晶体的几何结构和晶体折射率的配比：折射率配比差别越大光子带隙出现的可能性越大。 图1-2 光子晶体禁带示意图光子带隙可以表示为 (1-1)为光波角频率，为真空中光速，a晶格常数，为光波长。值得注意的是光子晶体晶格常数要比半导体晶格常数(如Si为0.25nm左右)大得多，通常是几微米。光子晶体还有一个重要特性是阻光性或局域光性16

15、 (photon localization )。当一块完整的光子晶体的周期性或对称性受到破坏时(例如人为破坏晶格结构)，其光子带隙中就会出现缺陷态，这种缺陷态会产生自发辐射的增强，如图1-3所示。与缺陷态频率吻合的光会被限制在缺陷的位置，一旦偏离缺陷位置光就将迅速衰减。根据这一性质，在光子晶体中引入一个线缺陷，可形成一个二维(2D)光子晶体波导，利用二维光波导在传播方向的延伸可以构成三维(3D)光波导，即光子晶体光纤。利用局域光性还可以制成环形谐振腔，光子晶体波导耦合器等光子器件。图1-3 在有缺陷的光子晶体中光子禁带使自发辐射增强1.2 光子晶体的理论分析方法从上一节我们知道：光子晶体最根本

16、的性质就是拥有光子带隙。光子带隙确定和计算就是人们研究光子晶体的基本方向所在。计算光子晶体的带隙宽度可以直接借鉴半导体的能带理论。计算光子晶体禁带或模拟光在光子晶体中的传播规律，我们可直接从麦克斯韦（Max Well）方程组衍生出来的亥姆霍兹方程开始， (1-2)式中为介质的介电常数，具有空间周期性。为真空中的光速，为电磁波的角频率，为电磁波的电场矢量。通过求解上述方程，我们知道方程只在某些特定的值才有解，而在另外的取值范围方程是无解的。这样就能从能带理论解释光子带隙存在的原因。为了计算光子带隙和模拟光在光子晶体中的传播，人们常用的方法有：时域有限差法17，平面波展开法18，传输矩阵法19等。

17、1.2.1 时域有限差分法(FDTD)时域有限差分法是求解电磁场麦克斯韦方程的通用方法。在直角坐标系里把麦克斯韦方程组展开成标量场分量的方程组，用二阶精度的中心差商代替微商，把连续的空间和时间变量处理成离散变量，就会得到标量场分量的迭代差分方程组；离散空间变量大小由数值稳定性条件和事先给定的光波长范围确定，再由离散空间步长和数值稳定性条件，得出相应的离散时间步长。光子晶体根据空间离散变量大小沿坐标轴方向被分割成很多Yee氏网格单元，求出每个网格点的有效介电常数。把以上参数作为已知量，加入边界条件后，把迭代差分方程组在划分好的Yee氏网格空间中迭代，计算出光子晶体中在任意时刻场强，然后通过傅立叶

18、变换，就可以很轻松地画出很大频率范围的波谱。1.2.2 平面波展开法(PWE)平面波展开法是在光子晶体能带研究中用得比较早和用得最多的一种方法。在倒格矢空间电磁场以平面波叠加的形式展开，通过把麦克斯韦方程组化为本征方程，然后求解本征方程计算出光子的本征频率，本征频率的解集就是光子能带。但是，这种方法有明显的缺点：计算精度和计算量正比于用到的平面波波数的立方，例如当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，需要大量平面波数，导致计算难度增大而降低计算精准度。如果介电常数不是恒定值，而是随频率变化，就得不到确定的本征方程形式，即使能展开成本征方程也有可能出现发散，导致根本无法求解。1.2.3 传输矩阵

19、法(TMM)磁场在实空间格点位置展开，麦克斯韦方程组被转化成转移矩阵形式，转化成求解该转移矩阵本征值问题。转移矩阵表示一层格点的场强与邻近另一层格点场强的关系，假设在光子晶体晶格中同一个格点层上有相同的态和频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个格点层外推到整个光子晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化的光子晶体特别有效，由于转移矩阵小，计算量与平面波法比小很多，精确度也非常好。第二章 光子晶体波导耦合器传输特性在一块完整的光子晶体中沿着某一个方向引入线型缺陷后就形成所谓的光子晶体波导20。光子晶体波导与一般常规介质波导比起来具有一些独有的性质：它的几何尺寸通常在几十微米到几百微米，可以更容

20、易的集成；光子晶体波导的拐角可以在090度之间变化而能量损耗很小，所以它的外形多种多样；光在光子晶体中的传播基本没有损耗等。当一块光子晶体中有多条光子晶体波导时，在一定的条件下它们会发生耦合，这就是能够用光子晶体制造波分复用/解复用器的前提条件。光子晶体波导耦合器同样继承了光子晶体波导的特性：易于光路集成，拐弯角度大，损耗小等。本章主要对光子晶体波导和光子晶体波导耦合器进行仿真，分析它们的传输特性。2. 1 二维光子晶体二维光子晶体是一种具有周期晶体结构的光学介质材料，有两种构成方式：一种由介质棒矩阵组成；另一种由空气孔矩阵组成21。图2-1给出了这两种结构形式示意图。a 介质棒矩阵组成的光子

21、晶体结构 b 空气孔阵组成的光子晶体结构图2-1 二维光子晶体结构两介质棒或者空气孔中心距离叫做晶格常数a，介质棒或空气孔的半径为r(ra)。光子晶体的晶格结构有矩形，三角形，蜂窝状和六角形。图2-2为正方形和三角形晶格结构。 图2-2 (a) 正方形晶格 (b) 三角形晶格光子晶体通常由Si、SiO2、GaAs、InP和GaInAsP等、族化合物材料制成。2.2 光子晶体波导特性在第一章我们介绍过光带隙，频率在光子带隙内的光无法在光子晶体中传播，当引入一条光子晶体波导时，这些频率的光可以在波导中传播，根据局域光性，这些光在传播过程中损耗会很小。在本节中主要用时域有限差分法，在OptiFDTD

22、中仿真各类直波导和弯曲波导，分析它们的传输特性。2.2.1 正方晶格光子晶体波导特性首先，我们先构建一块介质棒型光子晶体，背景材料为空气(n=1)，介质棒折射率n=3.4，晶格常数为a，介质棒半径r=0.28a，TE模光子带隙为0.3030.352。然后在这块光子晶体中去掉一排介质棒，形成一个光子晶体直波导，如图2-3所示。在波导左侧加入一个中心波长为1590nm波谱范围为60nm的高斯信号源，我们将得到如图2-4所示的能量分布和频谱关系。通过图2-4(b)所示频谱关系可以看出1590nm光信号可以在该波导中传播，因此频率在光子带隙范围内。出射和入射端口观测点测得的光功率比值为91%，说明该波

23、导的透射率达到了91%。该波导能高效传输1550nm1630nm光信号。整个波谱范围内的其它波长光信号强度比原信号更大，因此也证明了光子晶体的局域光性。图2-3 正方晶格光子晶体直波导图2-4 (a) 正方晶格光子晶体波导中能量分布 (b) 离散傅立叶变换频谱 直波导具有很低的传输损耗，下面研究在有角度偏转的情况下光子晶体波导的传输特性。构建一条如图2-5所示的弯曲光子晶体波导，参数与直波导相同。在加入高斯信号源之后，得到如图2-6所示能量分布及频谱关系。图2-5 90o拐角的正方晶格光子晶体波导虽然出射端口的透射率没有直波导高，但是透射率也达到了70%，也达到了比较高效的传输效果 图2-6

24、(a) 90o拐角正方晶格光子晶体波导中能量分布 (b) 离散傅立叶变换频谱2.2.2 三角晶格光子晶体波导特性构建一图2-2(b)所示的三角晶格结构光子晶体，背景材料为空气n=1，介质棒折射率n=3.1，晶格常数a，介质棒半径r=0.3a。引入一条直线型波导如图2-7所示。在入射端口加入一中心波长为1900nm高斯光信号，其在这条波导中传播时的能量分布和频谱如图2-8所示。图2-7 三角晶格光子晶体直波导我们能直观的看到，光信号的传输效率非常之高，透射率达到了99%，1890nm1930nm范围内的光都能够高效传输。 图2-8 (a) 三角晶格光子晶体直波导中能量分布 (b) 离散傅立叶变换

25、频谱在具有60o弯曲角的三角晶格光子晶体波导(如图2-9)中加入高斯光信号， 图2-9 60o弯角三角晶格光子晶体波导图2-10(b)所示频谱图中看到出射端口与入射端口光功率的比值为75%，与90度弯角正方晶格波导传输效率基本相同。但是带宽减小。 图2-10 (a) 60o弯角三角晶格光子晶体波导中能量分布 (b) 离散傅立叶变换频谱光信号在具有2个60o弯曲角的三角晶格波导中也是高效传输(如图2-11)，甚至透射率要高于一个弯角的波导，出射端口与入射端口光功率比值为85%左右。图2-11 (a) 2个60o弯角三角晶格光子晶体波导中能量分布 (b) 离散傅立叶变换频谱本节所设计的所有波导的尺

26、寸都在几十微米，通过仿真分析光信号各种形状波导的传输，验证了本章开头所描述的光子晶体波导的传输特性：器件尺寸小，损耗小，弯曲角度大等。2.3 二维光子晶体波导耦合器特性将两个光子晶体波导平行靠近放置就可以构建一个光波导耦合器，如图2-12所示。光信号会在两波导之间交替进行功率交换。光子晶体波导耦合器可以应用于光开关、波分复用/解复用器、分光器等。图2-12 光子晶体波导耦合器示意图光子晶体波导耦合器耦合原理用耦合模理论22进行分析。构建一个如图2-13所示波导耦合器，该耦合器所用晶体材料参数与上一节正方晶格光子晶体相同。光信号在这个耦合器的波导中传播时有相同的传输常数。图2-13 光子晶体波导

27、定向耦合器当奇模在耦合器中传播时，传输常数为；偶模在耦合器中传播时，传输常数，令，。光从波导1进入，耦合长度是的奇数倍时，光信号会从对边波导2出射端口输出；当耦合长度是偶数倍时，光信号从原波导出射端口输出，如图2-13所示。 (a) 光从对边波导输出 (b) 光从原波导输出图2-13 波导耦合器中光功率分布第三章 基于光子晶体波导耦合器的波分复用/解复用器设计本文将设计一个2信道复用/解复用器，使用光通信器件仿真软件OptiFDTD8.0设计。OptiFDTD是一个强大、结合度高且接口人性化的应用软件，可让计算机设计及仿真先进的被动组件和非线性光电组件。OptiFDTD程序的核心是时域有限差分

28、法(FDTD)，其具备二阶数值精准度及最先进的边界条件单轴完美匹配层(UPML)。该算法解决了使用麦克斯韦微分方程在时间及空间域的电磁场应用。它没有几何图形限制以及组件材质的限制。OptiFDTD可以设计、分析及测试被动组件和非线性光电组件中的波的传递、散射、反射、绕射、偏振及非线性现象。我们将用OptiFDTD Analyzer观察振幅，进行波形图分析，以及用离散傅立叶变换(DFT)来分析频谱。3.1 器件结构本文设计的是一个2信道光子晶体波导复用/解复用器。所使用的材料是方形晶格结构的介质棒矩阵，基底材料为空气，晶格常数a=0.5，图3-1所示为该耦合器的结构示意图。在这个光子晶体中，介质

29、棒半径r=0.24a0.32a，折射率n=3.4，在TE波模式下光子带隙(PBG)范围，为角频率，c是真空中光速，为调制高斯光源中心频率。该器件有4个端口，两波导的耦合长度为L。(a) 两波导间有两排介质棒的耦合区(b) 两波导间有一排介质棒的耦合区图3-1 基于光子晶体波导耦合器的2信道复用/解复用器结构在图3-1(a)中，两波导之间间隔两排介质棒， (b)中两波导间隔一排介质棒。在本章将讨论介质棒半径对光在波导耦合器中传输的影响，找出最佳介质棒半径，然后通过改变光波长找到该器件对波长的选择特性，之后通过改变波导间距研究波导间距对耦合长度的影响。前面三项中光源从端口1输入。最后光源从端口2输

30、入，研究不同端口对波分复用/解复用器的影响。3.2 两端口复用/解复用器设计在设计两端口复用/解复用器之前，先定义光子晶体材料和结构参数。首先打开波导布局设计窗口，新建，对光子晶体波导外形和材料进行设置。新定义一材料命名为PBG_atom，折射率设为3.4；再定义光子晶体结构参数，材料为PBG_atom，晶格三维尺寸0.5m，偏移为零，这种光子晶体材料命名为Profile_PBG；最后设置光子晶体的外形尺寸，长度为27m宽度为8.5m。完成晶体材料定义之后，设置晶格点阵结构。晶格起点位置为(0.5，- 4)，深度为0，二维正方晶格结构，晶格常数0.5，水平方向58排介质棒，垂直方向17排介质棒

31、，完成晶格点阵设置。按照图3-1的结构示意图进行挖孔，得到图3-2所示2信道复用/解复用器。(a) 两波导间隔两排介质棒，耦合长度48a(b) 两波导间隔一排介质棒，耦合长度36a图3-2 OptiFDTD中复用/解复用器设计图3.2.1波导耦合器的原包半径选择本小节中两波导间距2a，耦合长度48L，光从端口一进入，中心波长1.59保持不变，此时光子带隙(PBG)。讨论图3-2(a)结构的耦合器介质棒半径范围内光波耦合情况。在r=0.09m时，得到图3-3能量分布图，可以看出端口2和端口3光功率很小，端口4光功率几乎为0。此时耦合器无法实现波分复用。图3-3 r =0.09m时能量分布r=0.

32、1m时，得到如图3-4所示能量分布，此时光波实现了耦合，很明显大部分光功率分布在端口2，在端口3和端口4光功率相对较小，这种情况下可以将该耦合器当作一个分波器。图3-4 r =0.1m时能量分布r=0.12m时，在图3-5中的能量分布可以看到，在端口2几乎无光通过，端口3和端口4起到了分波作用。图3-5 r =0.12m时能量分布r=0.13m时，得到图3-6能量分布，在端口2和端口3的光功率已经很小了，光从端口4射出，实现了对波长了选择。图3-6 r =0.13m时能量分布当r=0.14m和r=0.15m时，能量分布结果和r=0.13m时几乎相同。当r=0.16m时，光几乎无法在波导耦合器中

33、传播，如3-7图所示。图3-7 r =0.16m时能量分布从上述仿真中能够得出结论，这个2信道复用/解复用器光子晶体材料的介质棒半径r应在在0.13m0.15m之间。这组仿真设计确定了耦合器的晶体材料参数。3.2.2 波导耦合器对波长的选择由上一小节将介质棒半径r定为0.14m，讨论在波长1.49m1.63m范围内，该耦合器的波长选择特性，其它条件不变。图3-8 =1.49m时能量分布图3-9 =1.53m时能量分布图3-10 =1.55m时能量分布图3-11 =1.57m时能量分布图3-12 =1.59m时能量分布图3-13 =1.61m时能量分布图3-14 =1.63m时能量分布总结图3-

34、8图3-14所示的仿真结果，可以确定该复用/解复用器端口3和端口4各自的波段。在图3-8中耦合器对=1.49m的光进行了一次耦合，之后光完全从端口3出射。图3-9图3-12中所示，入射光波长在1.51m1.59m范围变化时，端口4的能量分布逐渐增加，端口3能量分布逐渐减小。在=1.59m时光几乎全分布在对边波导端口4。对以上实验结果进行总结，该2信道复用/解复用器的4端口对1.59m光信号透过率最高，而端口3对1.49m光信号透过率最高。也就是说这个2信道波导复用/解复用器可以对1.49m和1.59m复用信号进行解复用。(a) 1.49m光信号的能量分布 (b) 1.59m光信号的能量分布图3

35、-15 光从端口2入射时波分复用/解复用器中能量分布前面两组实验中入射光都是从端口1进入，下面我们将入射光改由端口2进入，以波长为1.49m和1.59m的光信号为例探讨该耦合器对复用信号的解复用效果。将波长为1.59m的光源从端口2进入，其它条件不变，得到如图3-15(a)、(b)所示的能量分布。我们能直观的看出1.49m光信号能量几乎分布在对边波导端口4处，端口3处能量很小；1.59m光信号能量几乎分布在端口3，端口4处能量很小。于是可以得出：光无论是从端口1进入还是从端口2进入，可以对波长为1.49m和1.59m复用光信号进行解复用。3.2.3 两波导间隔对耦合长度的影响晶格常数a固定，当

36、两波导的间隔由2a变为时a时，介质棒半径与波长的变化对耦合特性影响具有相同的规律，也就是说两种结构的2信道复用/解复用器具有相同的选频特性，只是两波导的耦合长度发生了变化。使用图3-1(b)所示2信道波导复用/解复用器结构进行仿真实验设计，设计结构如图3-2(b)所示，介质棒半径为0.14m，光源为1.49m和1.59m复用信号，耦合长度L减小为36a得到如图3-16所示能量分布。与图3-12相比，光波在耦合器中的耦合次数增加了一次，而耦合长度只有36a，说明了波导间的间隔对耦合长度的影响。光信号改由端口2进入时，也相应的从对边波导中输出，如图3-17所示。图3-16 L=36a时2信道复用/

37、解复用器中能量分布图3-17 光从端口2进入时2信道复用/解复用器中能量分布根据本小节的实验可以得出这样的结论：耦合器的两波导靠的越近，其耦合长度越短，制作出的复用解复用器的尺寸将越小。3.3 多信道波分复用/解复用器通过级联多个光子晶体波导耦合器，可以构成多信道波分复用/解复用器。图3-18是一个4信道波分复用/解复用器结构示意图，该器件具有三个耦合长度，l1、l2和l3。从输入端口进入的复用光信号被解复用到不同的输出端口，达到波分复用的目的。用OptiFDTD设计出该复用/解复用器的结构，如图3-19所示，耦合长度l1=45a、l2=23a、l3=23a，其它参数与2信道复用/解复用器相同

38、，在输入端口加入一个复用光信号。仿真出如图3-20所示能量分布，图3-21为各输出端口观察点的离散傅立叶频谱图。图3-18 4信道波分复用/解复用器示意结构23图3-19 4信道波分复用/解复用器结构通过分析图3-21，我们可以看到波长为1.55m和1.61m的光信号被解复用到端口1输出，波长为1.53m的光信号被解复用到端口2输出，波长为1.59m的光信号被解复用到端口3输出，波长为1.63m的光信号被解复用到端口4输出。但是这个4信道波分复用/解复用器存在一个问题，在端口1输出的光信号有两个中心波长，此端口没有达到较为理想的解复用目的，这个解复用器需要进行优化设计。我们将耦合长度l2改为2

39、2a，l1、 l3长度不变，得到图3-22所示能量分布和图3-23所示频谱图。图3-20 4信道复用/解复用器各输出端口能量分布图3-21 4信道复用/解复用器各输出端口离散傅立叶变换(DFT)频谱图在图3-23给出的离散傅立叶频谱图中，我们能看到端口1和端口4输出的解复用信号较之前有了一定的优化。端口1输出的解复用信号中心频率为1.55m，波长为1.61m的信号被抑制，但在端口4输出的1.63m信号强度减小。图3-22 优化后的4信道复用/解复用器各输出端口能量分布图3-23 优化后的4信道复用/解复用器各输出端口离散傅立叶变换(DFT)频谱图我们对这个4信道波导复用/解复用器4个输出端口对

40、波长为1.53m、1.55m、1.59m和1.63m信号的透射率进行粗略的分析。在端口2输出的1.53m信号透射率达到90%以上，端口3输出的1.59m信号透射率为90%左右；端口1输出1.55m信号透射率为40%左右，端口4输出1.63m信号透射率只有30%左右。端口2和端口3有着高效的传输效率，端口1和端口4传输效率有待提高。通过查阅文献了解到实现高效4信道波导复用器的一个解决途径就是采用异质结构，也就是两种不同折射率材质的光子晶体制成的波分复用器24。由于本人的知识储备和能力有限，完成这样的4信道波导复用器设计有难度。如何同时实现四个波长高效传输，即透射率都超过90%，使其在未来的光通信

41、领域中有潜在应用价值，有待以后继续研究。结 论由于光子晶体对光子的控制非常灵活，而且器件尺寸非常小便于集成等特性，与传统半导体器件相比，应用光子晶体材料设计的器件压倒性的优势。光子晶体对科学家们有着极大的吸引力，于是各种高效光子晶体器件先后问世。本文介绍了光子晶体的空间结构，光子晶体的根本特性光子禁带，光子晶体的分析方法；分析了光子晶体波导的传输特性，光子晶体波导耦合器的耦合原理。本文通过模拟二维正方晶格介质棒型2信道波导复用/解复用器，分析了当晶格常数确定时介质棒半径的变化对光波耦合的影响，光子带隙在0.30.35范围内，介质棒半径为0.28a时，光波导的透光率最高。这个波导复用/解复用器实

42、现了两波长复用光信号的解复用，1.49m和1.59m光信号透射率都达到了90%，与引文23中Masanori Koshiba所设计的2信道复用器基本一致。分析了波导间距对耦合长度的影响，当波导间距由2a减小为a时，耦合长度从48a减小到36a，使器件尺寸明显缩小。通过级联两个不同耦合系数的光子晶体波导耦合器，构成了一个4信道波导复用/解复用器。4信道复用器能对1530nm、1550nm、1590nm和1630nm复用光信号进行解复用，四个出射端口的其中1530nm和1590nm两个端口解复用光信号透射率达到90%，另外两端口只有30%40%，需要在晶体材料和波分复用/解复用器结构上进行改进来达

43、到预期目的。要实现完全高效的4信道波导复用器需采用异质结构光子晶体，由于本人知识储备和能力限制，无法完成这样的设计。如何实现这个异质结构4信道波导复用器，有待以后学习研究。参考文献1 边超 明海光子晶体的研究进展及应用前景光电子技术与信息2000年2月，第13卷第1期：122 SJohnStronglocalization of Photons in certain disordered dielectric super latticesJPhysRevlett，1987，58(23)：248624893 EYablonovitchInhibitedspontancous emission i

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46、纤的研究与进展硅酸盐通报2004年第2期：36398 宁鼎光子晶体光纤光纤与电缆及其应用技术2004 年第1 期：139 廖先炳光子晶体技术(三)光子晶体激光器半导体光电2003年 04期：28628910 高鹏，毛陆虹，李斌桥，陈弘达，孙增辉，陈永权光子晶体微腔半导体激光器的研究进展高技术通讯2003年 12期11 刘海山，欧阳征标，李景镇，王启明用于波分复用的光子晶体滤波器光电子激光2002年 02期：14514912 周梅，陈效双，王少伟，张建标，陆卫THz波段的F-P光子晶体滤波器物理学报2006年 7月第7期：3725372913 张文杰，谭立英，马晶光子晶体四信道波分复用器的研究光学与