2D-3D异质结结构中集成器件的实验研究

作     者：张明明 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯志芳

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0803[工学-光学工程] 

主      题：2D-3D异质结结构 时域有限差分法 woodpile结构 波分复用器 波导 

摘      要：2D-3D异质结结构是一种具有完全带隙的三维光子晶体结构,是由两个woodpile结构和一个二维光子晶体组成,位于二维光子晶体上下两侧的woodpile结构可以抑制沿z方向的传输损耗,提高了二维结构中各种器件的传输效率。本论文对2D-3D异质结结构中的各种器件进行了详细的设计、模拟和实验研究,同时还开展了woodpile结构中任意弯曲波导及其基于此的波分复用器的理论模拟和实验研究。具体研究内容如下:首先,对2D-3D异质结结构中的波导进行了详细的设计、模拟和实验测量。根据2D-3D异质结结构的叠加特性,充分考虑了位于波导两侧的woodpile结构的影响,采用平移法和调整堆叠顺序法对波导进行了优化设计。研究结果表明:通过平移法调整woodpile结构时,随着移动值的增加,导带随之得到改善,并且在移动值为0.5a时波导的导带达到最宽,当介电常数为11.9时,导带宽度与中心频率之比可达15.98%;当调整堆叠顺序法优化波导时,可以发现导带发生了显著的变化,最重要的是,可以观察到超宽导带,当介电常数为11.9时,导带宽度与中心频率之比可达23.69%。然后,基于光子晶体波导耦合原理和超宽导带结构,设计了基于2D-3D异质结结构的六通道密集型波分复用器,并详细地从理论和实验上研究了该波分复用器的传输特性。研究结果表明:该器件实现了频率选择特性,且每个通道都实现了单频输出,实验测量结果也证明了其频率选择特性。在此基础上,我们又设计了更为密集的八通道波分复用器,实现了频率选择特性及其密度集成化。最后,在woodpile结构中设计了任意弯曲波导,并在该任意波导基础上,设计了立体空间的波分复用器。研究结果表明:利用woodpile结构的空间堆叠特性,可以设计更加丰富的弯曲波导,实现沿任意方向的传输特性;并可以获得具有良好传输特性的超长波导,其长度可达136a;基于任意波导的空间波分复用器,同样可以实现频率选择特性和密度集成化。