光子晶体光波导

光子晶体光波导及光学器件
汇报人：徐婷ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
光子晶体光波导
传统光波导
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
一、光子晶体光波导
1、一维PCW
空气缺陷层
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 a 取 0.375a 的电磁波， 由图知：弧形波导反射损失大大小于折角波导。
1.3偏振光分离器
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
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 2 的区域射出会产生衍射 的发射方向。由于光从远小于 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。
四、光子晶体滤波器
0 90 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
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。
a中在 f1 87GHz 和 f 2 101 GHz 处，两波导透过率几乎相等， 说明在90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 f1 87GHz 和 f 2 101 GHz 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%。
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。
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：
在 f 0.258a 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。