中度折射率比下高阶完全带隙的增强及宽带单模慢光光纤研究

作     者：周宇森 

作者单位：中南民族大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯金

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：二维光子晶体 高阶完全光子带隙 慢光光子带隙光纤 中度折射率比 

摘      要：利用光子晶体中二维完全光子带隙对光的控制和限制作用,可以设计高Q值微腔、光子带隙光纤、偏振无光波导、偏振分束器等种类丰富和功能强大的光器件,在光通信、光传感、非线性增强等领域有着广泛的应用。然而,目前获得完全光子带隙通常要求高折射率比材料体系,导致应用完全光子带隙的器件面临材料选择范围小、可以工作的光谱段有限等问题。因此,需要将完全光子带隙拓展至中度折射率比材料体系。目前,虽然许多基于光子晶体结构调节的方法被提出,并在一定程度上实现了中度折射率比下的完全光子带隙增强,但是这些方法依旧存在着带隙宽度小、获取带隙的材料折射率比较高等问题。同时,想要继续提出可支持中度折射率比下大完全光子带隙的光子晶体结构也变得越来越困难。因此,新的方法需要被提出,也非常具有研究意义。针对上述问题,本论文重点研究了二维光子晶体的高阶完全光子带隙在中度折射率比条件下的增强,并取得了一些有意义的成果。其次,在这基础上,利用完全光子带隙设计了一种新型的宽带低色散单模慢光光子带隙光纤。具体的研究成果如下:(1)采用平面波展开法,对比分析了空气孔型三角晶格、蜂窝晶格、蜂窝连杆3种典型光子晶体的最大完全光子带隙随折射率比的变化情况,发现了高阶完全光子带隙相比于低阶完全光子带隙受折射率比影响较小的规律。基于此发现,结合结构优势和高阶完全光子带隙的折射率比-不敏感性,提出了一种三角晶格环形孔连杆光子晶体。经过结构参数优化后,这种光子晶体可以在折射率比为2.4:1时获得9.27%的归一化高阶完全光子带隙,可以在折射率比大于2.1:1范围内支持高阶完全光子带隙存在。(2)提出了一种支持高阶完全带隙的光子晶体设计方法以实现高阶完全带隙在中度折射率比的增强。这种方法首先设置一个孔型结构作为光子晶体的中心散射体,其次在孔型结构周围采用填充了相同高折射率材料的连杆结构作为边缘散射体。以中心散射体和边缘散射体划分出的闭合区域为散射区,使用有限的中心和边缘散射体划分尽可能多的闭合散射区,以获得一种理论上支持高阶散射的光子晶体结构。通过充分利用高阶散射的相干相消,以获得高阶完全带隙。进一步地,利用高阶完全带隙的折射率不敏感性实现中度折射率比下完全光子带隙增强。采用这种方法,本论文设计了一种全新的正方晶格环形孔多连杆光子晶体。经过结构参数优化后,这种光子晶体可以在2.1:1的折射率比下获得3.348%的归一化完全带隙,可以在大于1.9:1的折射率比下支持完全带隙存在。刷新了目前所公开的,可在二维光子晶体中支持完全光子带隙的最低折射率比。(3)讨论了慢光光子带隙光纤的意义,设计了一种基于高阶完全光子带隙的宽带低色散单模慢光光子带隙光纤。这种光子带隙光纤采用三角晶格环形孔连杆结构形成的超元胞作为背景包层,在超元胞的中心处引入合理大小的空气孔作为空气纤芯。利用完全光子带隙对任意角度入射光的强限制,实现在归一化传播常数β→0处获得慢光。在此基础上,在纤芯周围引入填充了相同高折射率材料的半径可调节圆环,通过调节圆环的内外半径从而实现对光子带隙光纤慢光特性的调节。根据平面波展开法的计算结果表明:这种光纤支持在0.80827-0.81816的频率范围内平均群折射率为7的单模慢光。其单模慢光带宽约为20nm,延时带宽积为0.085,群速度色散控制在可接受的±150ps/mm范围内。