二维TE波Y Branch光子晶体的设计.docx
- 文档编号:6936234
- 上传时间:2023-01-12
- 格式:DOCX
- 页数:24
- 大小:2.07MB
二维TE波Y Branch光子晶体的设计.docx
《二维TE波Y Branch光子晶体的设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《二维TE波Y Branch光子晶体的设计.docx(24页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
二维TE波YBranch光子晶体的设计
学校代码:
10128
学号:
200720906010
课程设计说明书
题目:
二维TE波YBranch光子晶体的设计
学生姓名:
贾秀其
学院:
理学院
班级:
电科07-1
指导教师:
杜云刚
2010年7月20日
内蒙古工业大学课程设计(论文)任务书
课程名称:
光纤通信课程设计学院:
理学院班级:
电科07-1___
学生姓名:
贾秀其___学号:
200720906010指导教师:
杜云刚
一、题目
二维TE波YBranch光子晶体的设计
二、目的与意义
光无源器件对光纤通信系统的构成、功能的扩展或性能的提高,都是不可或缺的。
Y型光子晶体波导具有微小尺寸、低损耗等优点得到了广泛的研究和应用。
本课题应用OptiFDTD软件完成一个二维TE波YBranch光子晶体的设计。
三、要求(包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等)
1.分析光子晶体波导的传光原理;
2.使用OptiFDTD软件设计Y型光子晶体波导;
3.考查波导结构、材料的折射率等参数对波导传输性能的影响。
四、工作内容、进度安排
1.准备阶段,文献查阅;(2~3天)
2.研究方案设计;(3-5)
2.撰写课程说明书;(2~3.5天)
3.答辩阶段。
(0.5~1天)
五、主要参考文献
[1]朱桂新等.一种实现光子晶体波导定向耦合型多路光均分的新方法[J].物理学报,2009,(02):
1014-1019
[2]刘峭峭等.基于1×4光子晶体波导分束器的特性研究[J].应用光学,2009,(01):
56-59
[3]朱志宏等.光子晶体波导传输特性研究[J].光通信技术,2003,(12)
[4]朱志宏等.光子晶体波导定向耦合器[J].光学学报,2003,(10):
1237-1240
[5]陈淑文等光子晶体波导定向耦合型1×3光分束器[J].光学学报,2009,(10):
2898-2904
审核意见
系(教研室)主任(签字)
指导教师下达时间年月日
指导教师签字:
_______________
摘要
光子晶体作为一种具有周期性价电结构的人工材料,由于具有光子带隙的特性而引起广泛关注。
在完整光子晶体中引入线缺陷,形成光子晶体波导,可实现大拐弯处的低损耗甚至零损耗的能量传输。
基于光子晶体波导的各种光电器件,由于具有体积小,易于大规模光电集成等优点而得到迅速发展。
用计算机OptiFDTD软件设计Y型光子晶体波导,并通过计算机模拟运行2DTEYBranch的PBG设计Layout,利用FDTD_Analyzer对模拟结果进行进一步的分析处理,使我们深入了解了光子晶体的折射率变化以及对光子传播的影响,为以后对光子晶体深入研究打下了基础。
关键词:
光子晶体;时域有限差分法;OptiFDTD软件
Abtract
Photoniccrystalasacyclicstructureofartificialmaterials,electricityprices,duetothecharacteristicsofaphotonicbandgapcausedwidespreadconcern.Inthefullintroductionoflinedefectsinphotoniccrystalstoformphotoniccrystalwaveguide,lowlosscanberealizedGreatBendofficeorzerolossofenergytransfer.Photoniccrystalwaveguidebasedonavarietyofoptoelectronicdevices,becauseofitssmallsize,easy-tolarge-scaleopticalintegrationadvantagesofrapiddevelopment.ComputersoftwaredesignOptiFDTDYphotoniccrystalwaveguide,andthroughcomputersimulationrun2DTEYBranchofthePBGDesignLayout,useFDTDAnalyzerthesimulationresultsforfurtheranalysisandprocessing,enableusinsightintothephotoniccrystalrefractiveindexchangesaswellasphotonpropagationforthefuturein-depthstudyonthephotoniccrystalfoundation.
Keyword:
Photoniccrystals;FDTDmethod;OptiFDTDSoftware
目录
引言6
第一章光子晶体简介7
1.1光子晶体的概念7
1.2光子晶体的特征8
1.3光子晶体的结构8
1.4光子晶体的理论研究发展9
1.5光子晶体波导的传输特性10
第二章设计Y型光子晶体波导15
2.1设计YBranchPBG的Layout15
2.1.1初始操作15
2.1.2设置其他初始化参数:
16
2.1.3设计1917的PBG晶格阵列:
17
2.2模拟运行2DTEYBranch的PBG设计Layout21
2.3数据结果分析24
2.3.1在Analyzer中,观察分析结果24
2.3.2使用2DBandSolver来求解该光子晶体的色散曲线图26
结束语28
献参考文29
引言
近年来,光子晶体因其具有控制光子的流动的能力而备受关注。
它其实可以理解为就是一种周期性电解质。
在周期性电解质材料中,光的色散曲线明显的不同于均匀电介质中的光的色散曲线,其中存在类似于半导体禁带的“光子禁带”;如果光的频率在禁带范围内,则它不能在介质中传播。
光子晶体的非凡的本领正是由于这个禁带的存在。
当在光子晶体中引人线缺陷后,处于原来对完整光子晶体不透明的禁带中的光可以沿着线缺陷传播,这就形成了光子晶体波导,鉴于光子晶体波导具有传统介质波导所不具有的一些独特的性质:
光子晶体波导的尺寸可以是波长的数量级,这使光子晶体波导被集成更为容易;光子晶体波导的拐弯角度可以很大,这使得光子晶体波导的形状可以更加多样化;光在光子晶体中可以无损耗传播等等,因此,研究光在光子晶体波导中的传输特性是一件很有意义的事情。
第一章光子晶体简介
1.1光子晶体的概念
半个世纪前,人们就知道晶体中的电子由于受到晶体内周期性势场的散射,其色散关系呈带状分布,即所谓的电子能带结构。
1987年Yablnovich和John分别独立提出“光子晶体”这一新的概念:
如果将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列,由于存在周期性,在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构,带与带之间有可能出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotonicBandGap)。
频率落在PBG中的光是被严格禁止传播的,如下图:
我们将具有光子禁带的周期性电介质结构称为光子晶体(PhotonicCrystal)。
绝大多数光子晶体都是人工设计出来的。
如果光子晶体在几何构形上仅具有一维周期性,那么它将形成一维光子晶体,光子禁带将出现在此方向上,如果它在二维或三维均具有周期性。
那么它将形成二维或三维光子晶体,如图1.1所示。
图1.1光子晶体空间结构示意图
1.2光子晶体的特征
光子晶体最基本的特征是具有光子禁带,在具有完全禁带的光子晶体中,落在禁带中的光子是被禁止传播的。
光子禁带依赖于光子晶体的几何结构和介电常数配比。
一般来说,介电常数比越大,越易出现禁带:
光子晶体几何结构对称性越差,其能带简并度就越低,越容易出现光于禁带。
光子晶体的另一个主要特征是具有光子局域。
John于1987年提出:
在一种无序介电材料组成的超晶格(即是“光子晶体”),光子呈现出很强的Anderson局域。
当光子晶体没有缺陷时,根据其边界条件的周期性要求.不存在光的衰减模式。
但是一旦晶体的原有对称性遭到破坏,就会出现缺陷态,在光子晶体的禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态或局域态,如果在光子晶体中加入杂质,光子禁带中就会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可以增强光子晶体中原子的自发辐射,局域态的性质将由缺陷的参数决定,局域态光子的强度以缺陷中心为最大,随着与缺陷中心距离的增大而迅速衰减。
1.3光子晶体的结构
光子晶体的结构可以这样理解,正如半导.体材料在晶格结点(各个原子所在位点)周期性的出现离子一样,光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。
如下图所示的光子晶体材料从一维到三维的结构,可以明显看出周期性的存在,而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。
高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(BandGap,类似于半导体中的禁带)。
而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小不同,导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。
也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。
如果只在一个方向上存在周期性结构,那么光子带隙只能出现在这个方向。
如果在三个方向上都存在周期结构,那么可以出现全方位的光子带隙,特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。
这对光子晶体来说是一个最重要的特性。
而且实际上,这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。
因为光被禁止出现在光子晶体带隙中,所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。
例如,如果我们考虑引入一种光辐射层,该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同,那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。
这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。
而如果我们通过引入缺陷破坏光子晶体的周期结构特性,那么在光子带隙中将形成相应的缺陷能级。
将仅仅有特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。
这就可以用来制造单模发光二极管和零域值激光发射器(详见光子晶体应用)。
而如果产生了缺陷条纹--即沿着一定的路线引入缺陷,那么就可以形成一条光的通路,类似于电流在导线中传播一样,只有沿着"光子导线"(即缺陷条纹)传播的光子得以顺利传播,其它任何试图脱离导线的光子都将被完全禁止。
理想状态下我们已经实现了一条无任何损耗的光通路。
这种光通路甚至比光纤更有效。
1.4光子晶体的理论研究发展
光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。
虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念,但直到1989年,Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在,物理界才开始大举投入这方面的理论研究。
由于光子晶体有类似电子晶体的结构,人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性,并取得了和试验一致的结果。
主要的方法有:
平面波展开法、传输矩阵法、有限差分时域法(FDTD)和散射矩阵法(SMM)等。
平面波展开法是比较常用的一种方法,它的基本思想是:
将电磁场以平面波的形式展开,可以将麦克斯韦议程组化成一个本征议程,求解该方程的本征值便得到传播的光子的本征频率。
这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时,可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。
而且如果介电常数不是常数而是随频率变化,就没有一个确定的本征方程形式,这种情况下根本无法求解。
传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开,将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式,同样变成本征值求解问题。
传输矩阵表示一层(面)格点的场强与紧邻的另一层(面)格点场强的关系,它假设在构成的空间中在同一个格点层(面)上有相同的态和相同的频率,这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。
这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效,而且由于传输矩阵小,矩阵元少,运算量小,同时在计算传输光谱时也是十分方便的。
但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦,效率不是很高,因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。
有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。
在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格,列出网上每个结点的有限差分议程,利用布里渊区边界的周斯条件,同样将麦克斯f方程组化成矩阵形式的特征方程,这个矩阵是准对角化的,其中只有少量的一些非零矩阵元,计算最小。
但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状,在遇到特殊形状晶格的光子晶体时,很难精确求解。
光子晶体光子晶体散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成,其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。
通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶-贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程,从而计算出在光子晶体中传输的场分布。
应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的,但是由于这种方法需要较长的运算时间,在有些情形下实际上是不可行的。
实际理论分析中,还有很多其他的方法,如:
有限元法、N阶法等。
这些方法各有优缺点,在应用时要根据实际场合合理地选用。
在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的,由于光子晶体的制备非常困难,通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性,再由试验来验证这些结论。
1.5光子晶体波导的传输特性
近年来,光子晶体因其具有控制光子的流动的能力而备受关注。
它其实可以理解为就是一种周期性电解质。
在周期性电解质材料中,光的色散曲线明显的不同于均匀电介质中的光的色散曲线,其中存在类似于半导体禁带的“光子禁带”;如果光的频率在禁带范围内,则它不能在介质中传播。
光子晶体的非凡的本领正是由于这个禁带的存在。
当在光子晶体中引人线缺陷后,处于原来对完整光子晶体不透明的禁带中的光可以沿着线缺陷传播,这就形成了光子晶体波导,鉴于光子晶体彼导具有传统介质波导所不具有的一些独特的性质:
光子晶体波导的尺寸可以是波长的数量级,这使光子晶体波导被集成更为容易;光子晶体波导的拐弯角度可以很大,这使得光子晶体波导的形状可以更加多样化;光在光子晶体中可以无损耗传播等等,因此,研究光在光子晶体波导中的传输特性具有重要的意义。
本文将时域有限差分方法(FDTD)作为研究的工具,以二维方型光子晶体TM模作为研究对象,给出了一些计算结果;FDTD方法能够很直观的给出光在光子晶体波导中的传输行为和光场分布情况,它能处理任何形状的光子晶体波导,他的另外一个优点是可以通过傅立叶变换,一次计算出包含很大频率范围的结果。
对于如图1所示的二维线缺陷方型光子晶体:
晶格常数为a,基质为空气,介质柱半径为r,介电常数为
;取r=1.25a,介质柱的相对介电常数为4.55。
以TM为研究对象,当TM模脉冲源沿图中箭头位置和方向入射到光子晶体上时,用FDTD方法可以得到A处的透射率频率分布如图2中的“date1”。
“date3”与“date2”是去掉光子晶体后,相同的局域源在空气中传播时,在A处的整个出射面的透射率。
从图中可以看出,如果光的频率在光子晶体的禁带范围之外,则不管是在光子晶体波导中还是空气中,散射(或衍射)都很厉害,以致到达A处的能量只是很少的一部分,当光的频率在光子晶体禁带范围内时在光子晶体中,光波只能沿着线缺陷传播,只能集中到达A处。
设计如图3、图4、图5所示三种不同的光子晶体波导结构,从其光场分布图可以看出当光子晶体中存在线缺陷时,频率处于禁带的光能够沿着线缺陷传播,而不管线缺陷有多大的拐弯角度。
计算表明,当处于禁带频率范围的光在图3所示的直线缺陷中传播时,能量没有损失,在弯波导中传播时能量损失也小,如图10所示。
对于如图6所示的二维方型光子晶体直角波导,当频率为0.43的单频源图中箭头方向和位置入射到波导口时,可以得到场稳定后波导中某一时刻的能流密度矢量图如图7。
从图7中可以看出,光的能量大部分集中在波导中,在拐角处,能流密度方向发生较大改变。
当改变波导拐角为如图8所示,可以得到它的能量密度矢量图如图9,在拐角处,能流密度方向改变相对比较平缓。
当宽频源入射时可以得到两种拐弯情况下的能量透过率如图10所示(date1对应图6,date2对应图8),结果表明:
在公共禁带范围你,两种情况的结果一样,几乎都没有能量损失;在公共禁带范围之外附近,两种情况下的能量损失相差比较大。
图3单色TM模电场强度E矢量在有直线线缺陷的光子晶体中的分布
图4单色TM模电场强度E矢量在有折线线缺陷的光子晶体中的分布
图5单色TM模电场强度E矢量在有弓形线缺陷的光子晶体中的分布
结果表明,光子晶体波导于普通介质波导相比具有转弯角度大、损耗小、容易集成等特点。
鉴于光子晶体波导的这些优点,制作实际的硅基光子晶体波导来约束和传输光。
第二章设计Y型光子晶体波导
2.1设计YBranchPBG的Layout
2.1.1初始操作
运行软件WaveguideLayoutDesigner
菜单栏
New,出现下面对话框:
点击
出现ProfileDesigner窗口:
FDTD_Dielectric目录
右键
New:
参数依照下图,点击保存(store)
Channel目录
右键
New(依照下图设置参数):
点击保存,关闭ProfileDesigne。
2.1.2设置其他初始化参数
1)WaveguideProperties的参数设置
2)WaferDimension的参数设置:
3)2DWaferProperties和3DWaferProperties均选Air,
2.1.3设计1917的PBG晶格阵列
1)Draw菜单
PBGCrystalStructure
在Layout窗口中,绘制一个晶格。
(2)双击该晶格,出现CrystalLatticeProperties对话框:
参数依照下图设置
点击New,EllipticWaveguideProperties对话框:
2)回到Layout窗口,我们可看见1917的2D六角排列晶格。
如下图所示:
3)选择PBGCrystalStructureCellEditingTool(
),右键点击要挖掉的原胞,出现以下菜单:
4)选择CellsOff,则该原胞被去除。
最终图:
5)设计好YBranch的光子晶体后,我们还需要为其提供一个激励光源,以进行实时模拟
a.从Draw菜单中选择VerticalInputPlane
b.在Layout的所需位置插入该入射光平面,双击该平面,出现InputPlane的属性设置:
在GaussianModulatedCW的分栏中设置参数如下:
在2DTransverse分栏中设置:
则我们提供了一个脉冲形式的高斯光束作为激励源。
6)设置观察点,以在模拟过程,和最终分析过程中对一些位置的各种光学参数结果进行监测。
在Draw菜单中,选择ObservationPoint,放置在所需的位置附近,然后进行参数设定。
设置所要采集数据的参数为:
最终得到的layout图如下所示:
这样,我们所设计的YBranchPBG结构就已完成。
2.2模拟运行2DTEYBranch的PBG设计Layout
选择Simulation菜单中的2DSimulationParameters,对模拟所要求的参数进行设定:
其中Advanced..是对边界条件进行设置:
参数设定确定后,选择OK,回到SimulationParameters窗口。
选择SimulationParameters中的Run按钮开始模拟运行设计的Layout,会跳出窗口要求用户将该layout保存为.fdt文件,选择路径和编辑文件名进行保存。
然后会自动跳出OptiFDTD_Simulator进行模拟运算,如下图所示:
在运行过程中,我们可对观察点的时域和频域的Ey等分量进行实时观察分析,如下图所示:
模拟完成100%以后,会自动出现窗口:
然后我们可以打开FDTD_Analyzer对最终得到的结果进行分析。
2.3数据结果分析
2.3.1在Analyzer中,观察分析结果
1).观察分析Layout(可参见Designer中设计的YBranchPBG的Layout图)观察分析两维折射率分布(也可在Designer设计时观察),如下图所示(该图为3维显示,我们也可以选择2D的平面图):
2)。
观察分析该PBG结构的波映廷矢量分布图
可分别为3D和2D平面图:
3)在Tools菜单里选择ObservationAreaAnalysis,则出现观察区域分析窗口:
可得到在DFT频域中,观察点1和观察点2的Ey和频率的谱图。
2.3.2使用2DBandSolver来求解该光子晶体的色散曲线图
1)在Simulation菜单中选择2DBandSolverParameters,出现如下对话框:
2)运行Run,可最终得到光子禁带谱图,如下所示:
结束语
本文开始介绍了光子晶体的概念,特征,结构以及理论研究的发展现状。
通过对这些方面的了解,可以使我们对光子晶体有一个比较深刻的了解。
接着,通过时域有限差分方法(FDTD)作为研究的工具,对光子晶体传输特性进行了理论研究,结果表明,光子晶体波导与普通介质波导相比具有转弯角度大、损耗小、容易集成等特点。
最后,通过计算机OptiFDTD软件设计Y型光子晶体波导,并通过计算机模拟运行2DTEYBranch的PBG设计Layout,利用FDTD_Analyzer对模拟结果进行进一步的分析处理,使我们深入了解了光子晶体的折射率变化以及对光子传播的影响,为以后对光子晶体深入研究打下了基础。
献参考文
[1]朱桂新等.一种实现光子晶体波导定向耦合型多路光均分的新方法[J].物理学报,2009,(02):
1014-1019
[2]刘峭峭等.基于1×4光子晶体波导分束器的特性研究[J].应用光学,2009,(01):
56-59
[3]朱志宏等.光子晶体波导传输特性研究[J].光通信技术,2003,(12)
[4]朱志宏等.光子晶体波导定向耦合器[J].光学学报,2003,(10):
1237-1240
[5]陈淑文等光子晶体波导定向耦合型1×3光分束器[J].光学学报,2009,(10):
2898-2904
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 二维TE波Y Branch光子晶体的设计 二维 TE Branch 光子 晶体 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)