文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于波导结构的高Q值光子晶体微腔的设计与仿真
姓名:李海根
申请学位级别:硕士
专业:物理电子学
指导教师:周治平
20090515
华中科技大学硕士学位论文
摘要
光子晶体是一种新型的光学材料,它是由不同折射率的材料周期性排列而形成
的人工晶体结构。它最显著的特征是光子带隙和局域特性,处于禁带中的光不能在
光子晶体中传播。如果在完整的光子晶体晶格中引入缺陷,在原来的带隙中允许缺
陷态存在。因此,在光子晶体中引入点缺陷、线缺陷,可形成光子晶体微腔和一维
光波导,进一步利用这些缺陷以及它们的组合可以形成多种新型的光子器件。
光子晶体有着十分广泛的应用领域,从微波通信、太赫兹器件到光子芯片,从
通信器件、太阳能电池、生物化学传感到隐身技术,可以说,涵盖了光通讯、激光
器、光子器件等非常广阔的领域。因此近年来对光子晶体的研究是如火如荼,其中
之一就是光子晶体微腔的研究,在光子晶体中引入一个点缺陷,就会形成以点缺陷
为中心的微谐振腔。
本文阐述了光子晶体的研究现状及理论基础,根据能带理论自行设计了一种新
型的光子晶体微腔结构,并首次通过调整与线缺陷波导紧邻的两排空气孔之间的间
隔,达到调整折射率分布,从而得到异质结结构,将光约束在微腔中,同时考虑到
传感的实际运用,在波导微腔中留有一放置被探测物的空气小孔。首先通过调整光
子晶体波导宽度得到单模波导;然后设计模式间隙(mode-gap),同时根据布洛赫波
与波导导模来设计反射镜(mirror)与喇叭口(taper)将光有效地约束在腔中;通过
仿真,得出了微腔的谱响应和缺陷态模场分布;对缺陷态光谱曲线的分析得出 Q 值。
进而对微腔结构参数对 Q 值的影响进行了分析。结果表明,我们的结构不仅可以保
持较高的 Q 值,而且使结构简单、易耦合、工艺上易实现而且精度高,同时保持很
小的尺寸,大约 µm×µm,非常利于光电子器件的集成。
最后,将上述光子晶体微腔应用于传感,结果表明中心波长对待探测物折射率
扰动引起的漂移足够大,可以用于生物化学传感。
关键词: 光子晶体光子晶体微腔布拉格反射镜模式间隙传感
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Photonic crystal (PhC)is a kind of novel optical material, it is artificial periodic
structure made of arrays with different constant. Its outstanding feature is photonic
bandgap, light frequency located in which will be forbidden at all. If some “defect” is
introduced in the perfect photonic crystal lattice, some defect state will be permitted in the
original bandgap. So photonic crystal microcavity and one dimensional waveguide can be
formed through introducing point defect and line defect respectively, and various optical
devices can be made by using these defects and bination.
Photonic crystal has extensive applications, from munication,
terahertz devices to photon chips, munication devices, sollar cell, biochemical
sensor to stealth technology. It covers a very broad area including munication,
lasers and photonic devices. Thus, study on photonic crystals es very hot recently,
among which is photonic crystal microcavity, a micro-resonator formed by introducing a
point defect