光子晶体异质结耦合波导光开关

以二维三角晶格光子晶体为研究对象,在该光子晶体中引入两行平行的单模线缺陷波导,以一行耦合介质柱为间距,通过调节部分耦合介质柱的折射率,构筑了光子晶体异质结耦合波导光开关结构。利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下,缺陷波导间耦合介质柱的折射率不同时的耦合长度,确定了合适的光子晶体异质结耦合波导光开关的结构参数。利用时域有限差分法研究了该光开关中耦合介质柱的折射率变化及异质结构介质柱的位置分布对光信号输出路径的影响。结果表明,通过改变该结构中耦合介质柱的折射率可以改变光的输出路径,可实现光的开关行为。并且异质结构介质柱位置的随机分布对该光开关的影响不大,有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器以及光开关等光子器件的研究。     

1×4光子晶体波导分束器的特性

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导,光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。我们设计了一种线缺陷1×4光子晶体分束器,并且用有限时域差分法研究了它的特性。研究表明,输出端的透射传输特性与入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入四个输出端口。为了减少1×4分束器在三个Y型分支区的反射,可以通过调节在分支区的可调介质柱的半径R,使每个输出端口具有很高的透射率。     

一种实现光子晶体波导定向耦合型多路光均分的新方法

将多光子晶体单模波导平行、邻近放置构成定向耦合器. 依据自映像原理,数值分析了输入光场对称入射时,该系统中光的传播行为. 基于此结构,以三、四通道为例,设计了超微多路光分束器,并仅通过对称地改变耦合区中两个介质柱的有效折射率,使光场在横向发生重新分布,实现了输出能量的均分或自由分配. 和已报道结果相比,此调制方法更为简单易行而且效率更高,并可以推广到具有更多输出通道的光分束器中,在未来的集成光回路中具有广泛的应用价值. 关键词： 光子晶体波导 定向耦合器 分束器 能量均分     

基于三角晶格光子晶体多模波导1×2分束器的优化设计

依据自映像原理,设计了一种基于三角晶格光子晶体多模波导的1×2分束器.采用时域有限差分法模拟了光波在分束器中的传播行为,并计算了分束器的传输效率.结果表明,仅仅通过改变多模波导与输出波导联结处的介质柱的位置对结构进行优化,便可大大提高分束器在工作点频率处的传输效率和带宽,其多模耦合区的长度可低至3.1 μm.因而本文所设计的分束器具有更小的器件尺寸和更高的传输效率,易于大规模集成的实现,在未来的集成光路中具有广泛的应用价值.     

基于光子晶体的双波长太赫兹波功分器研究

太赫兹波技术和光子晶体技术相结合为设计太赫兹波功能器件提供了新的思路和方法.本文提出了一种基于二维光子晶体的双波长太赫兹波功分器.在光子晶体中引入由三个相互平行的单模波导形成的定向耦合型分束器和Y型结构的1×2型分束器,同时,在Y型结构的分支处分别引入两个介质柱.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射波频率下,耦合波导的耦合长度,并采用时域有限差分法对功分器的传输特性进行了模拟仿真分析.结果表明,在频率f1=1.0THz时,实现了端口1和端口2的能量均分输出;在频率f2=0.893THz时,通过非对称改变两个介质柱的折射率,可以实现端口3和端口4输出能量的自由分配.     

1×4光子晶体波导分束器的特性

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导,光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。我们设计了一种线缺陷1×4光子晶体分束器,并且用有限时域差分法研究了它的特性。研究表明,输出端的透射传输特性与入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入四个输出端口。为了减少1×4分束器在三个Y型分支区的反射,可以通过调节在分支区的可调介质柱的半径R,使每个输出端口具有很高的透射率。     

基于1×4光子晶体波导分束器的特性研究

光子晶体波导分束器是集成光学电路的重要组成元件。设计一种线缺陷1×4光子晶体分束器,用时域有限差分法研究其特性。实验结果表明:输出端的透射传输特性随入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入4个输出端口。为了减少1×4分束器在3个Y型分支区的反射,通过调节分支区的可调介质柱的半径R,可使每个输出端口输出较高的透射率。     

光子晶体波导定向耦合型1×3光分束器

将五光子晶体单模波导平行、邻近放置构成定向耦合器,依据自映像原理,数值分析了输入光场对称入射时,该系统中光的传播行为.基于此结构,设计了1×3光分束器,其器件长度可短至14.26μm.仅仅通过对称地改变耦合区中两个介质柱的有效折射率,使光场在横向发生重新分布,便可实现输出能量的均分或自由分配.通过非对称地改变耦合区中的一个介质柱,可实现3个输出端的输出能量的自由分配.该光分束器具有微小尺寸和各输出端输出能量的比例可自由调制的特点,在未来集成光回路中具有广泛的应用价值.     

基于下山单纯形算法逆向设计二维光子晶体波导型1×5分束器

提出了一种新颖的二维光子晶体波导型1×5分束器,为了提高分束器的优化效率和分束性能,利用下山单纯形算法,对提出的1×5分束器进行逆向设计和研究.结果表明,改变耦合区域介质柱半径、Y分支波导中央的调控介质柱半径及其横向偏移量,可以调节分束器5个输出端口的输出光功率比例;利用下山单纯形算法,根据特定的分光比目标,对耦合区域介质柱半径、调控介质柱半径及其横向偏移量进行优化,可以逆向设计出总透过率达到99%以上、附加损耗小于0.044 d B以及响应时间小于1 ps的不同分光比的1×5分束器.此外,对逆向设计的1×5分束器进行了工艺误差分析,确定了各优化参量在实际加工中允许的误差范围,为器件的制作提供了理论参考.该1×5分束器分光比设计灵活,优化效率高,性能优良,尺寸小,在光子集成电路等领域中具有广泛的应用前景.     

一种新型的光子晶体偏振光分束器的设计

基于光波在直波导和复合结构光子晶体中的传播特性,结合平面波展开法和时域有限差分法,提出并讨论了一种新型的超紧凑的光子晶体偏振光分束器. 它是由输入波导,分束结构和输出波导三部分组成. 对这种结构的三角晶格光子晶体光分束器的数值计算与模拟结果表明,该结构可以实现TE模和TM模的高效大角度分离,并且在通信波段设计尺寸小,这些特性使其在未来的集成光回路中有着重要的应用前景. 关键词： 偏振光分束器 能带结构 平面波展开法 时域有限差分法     

Detailed investigation of self-imaging in multimode photonic crystal waveguides for applications in power and polarization beam splitters

Properties of the self-imaging effect based on multimode interference (MMI) in multimode photonic crystal waveguides (PCWs) are investigated and analyzed in detail. By combining photonic band gap (PBG) and total internal reflection (TIR) effects in PCWs, self-imaging phenomena are achieved for both TE and TM polarizations. To observe the images reproduced by this self-imaging phenomenon, finite-difference time-domain (FDTD) simulations are performed on a multi-mode PCW. From these numerical simulations the reproduced images are identified and their positions along the propagation axis are described. We also, present the design and simulation of novel polarization-insensitive power splitter and polarization splitter. The simulation results show that the optimized devices have excellent transmission efficiencies as well as wide operating frequency bandwidths and small structure size. So, the proposed devices are promising and may play an important role in high-density photonic integrated circuits in the future.     

超微光子晶体多模干涉型滤波器的设计与优化

根据对称入射时的自映像原理,设计了一种基于光子晶体多模波导的超微滤波器,对于进入该种器件的1.31 μm和1.55 μm两种通信波长的光信号,能够在通过一种波长的同时,对另一种波长进行阻隔,整个器件的长度不超过15 μm.讨论了该滤波器的输出效率,并通过调整位于单模波导与多模波导联结处的介电柱位置对结构进行优化.优化后的结构具有高的输出效率和较宽的带宽.时域有限差分法的模拟结果表明该器件是可行的.     

基于全内反射光子晶体多模波导偏振无关型光分束器

研究了全内反射在光子晶体多模波导中的作用,利用常规的耦合模理论对对称入射时的多模干涉行为和自映射现象进行了讨论和分析.研究表明,输入光场依然能沿着多模导光区高效的传输,这种结构中的光场传输是由全内反射和布喇格反射的联合作用而决定的.设计了一种全内反射偏振无关型光分束器,这种分束器在集成光学中具有重大的潜在应用价值.     

Investigation of self-imaging based on the field distribution in multimode photonic crystal waveguides

We have investigated the self-imaging phenomena based on the field distribution in two-dimensional multimode photonic crystal waveguides (PCWs) by the finite-difference time-domain (FDTD) method. The new self-imaging conditions are given for the mirrored images and the direct images. The self-imaging distributions in multimode PCWs can be explained by the new self-imaging conditions and the superposition of “sub-images”. The results of numerical simulation show a good agreement with the theoretical predictions.     

Waveguide mode converter based on two-dimensional photonic crystals

We propose and numerically analyze a novel mode converter based on two-dimensional photonic crystal waveguides with square arrays of cylindrical dielectric rods in air. The mode converter uses small perturbation defects to decouple various modes in the multimode waveguide, thereby permitting propagation of only one mode at any given frequency, which permits one-to-one mode conversion without exciting unwanted modes. The mode converter can efficiently convert a TM0 mode supported in a single-mode photonic crystal waveguide into a TM2 mode supported in the multimode waveguide that is laterally coupled to the single-mode waveguide section for a wide wavelength range. Influences of different sizes and positions of perturbation rods on the band structure of the multimode waveguide are studied.     

多模干涉耦合器一般成像位置分析

自映像效应是多模波导的一个重要特性,利用多模波导自映像效应制成的多模干涉耦合器被广泛地应用于集成光学回路中。然而根据以往的文献要得出多模干涉耦合器的成像位置要经过一系列复杂的计算。根据多模干涉耦合器的自映像原理,对多模干涉耦合器的成像位置进行分析。成像位置与输入场位置和位置数密切相关,给出了成像位置的解析表达式,得出奇数、偶数的位置数的成像位置分别对应相同,并且奇、偶数的位置数所对应的成像位置之和为多模波导宽度的成像规律。用导模传输分析法验证了表达式和成像规律的正确性。根据成像位置的表达式和成像规律可以直接得出任意输入场位置和位置数所对应的成像位置。为一维和二维限制的多模干涉耦合器的设计提供了理论基础。     

全内反射型三角晶格光子晶体多模波导中的光传播特性

研究了光波在没有光子带隙的三角晶格型光子晶体多模波导中的传播特性. 利用等效折射率法,将该结构等效为三层平板介质波导,基于自映像原理,数值分析和模拟了其多模干涉效应. 研究结果表明,由于全内反射和分布式布拉格反射的联合效应,光场类似于传统波导模式,能高效地传输;随着填充率的增大,高透射区域将向波长减小的方向移动,带宽和透射率也随之增加, 研究结果为实际应用中选择适当的填充率提供了理论依据. 关键词： 光子晶体多模波导 全内反射 填充率 时域有限差分法     

Selective modes excitation in multimode photonic crystal waveguides

We investigate modes excitation with the input field of different positions in two-dimensional multimode photonic crystal waveguides. Odd modes can be selectively excited by the input field of odd symmetry. The input field with different positions can excite different modes due to the field intensity distribution of modes. When the input field locates at the position of the zero field, intensity of waveguide modes is zero and the modes are not excited. The finite-difference time-domain method is used to obtain the excited field distributions.     

Numerical characterization of nanopillar photonic crystal waveguides and directional couplers

We numerically characterize a novel type of a photonic crystal waveguide, which consists of several rows of periodically arranged dielectric cylinders. In such a nanopillar photonic crystal waveguide, light confinement is due to the total internal reflection. A nanopillar waveguide is a multimode waveguide, where the number of modes is equal to the number of rows building the waveguide. The strong coupling between individual waveguides leads to the proposal of an ultrashort directional coupler based on nanopillar waveguides. We present a systematic analysis of the dispersion and transmission efficiency of nanopillar photonic crystal waveguides and directional couplers. Plane wave expansion and finite difference time domain methods were used to characterize numerically nanopillar photonic crystal structures both in two- and three-dimensional spaces.     

An ultra-short double-wavelength optical power splitter for two waveguides operation based on photonic crystal multimode interference

In this paper, we design an ultra-short 1 × 2 1310/1550 nm double-waveguide optical power splitter based on photonic crystal multimode interference. The device can be used to divide the input beam equally for both 1310 nm and 1550 nm at the same time. The total multimode waveguide length of this device is only about 13 μm, which is one 210th of the conventional dielectric counterparts reported. On the basis of the guided-mode propagation analysis method, the self-imaging effect is discussed for the case of symmetric incidence. The finite-difference time-domain method is used to simulate the propagation of the beam in the multimode interference. The results show that the repetitive appearances of single image and twofold image of the input field occur alternatively in this device.