（光学工程专业论文）平板光子晶体的理论与实验研究.pdf

独创性声明 本人声明所里交的学位论文是裁本人在导师指导下进行的研究工作及取 蓐的 磅兖戚果 尽我所知 除了文中特另l 加以标注和致谢的地方外 论文中不包含蒸 他人已经发表和撰写过的研究成果 也不包含为获缮霪防聋毒掌技术大学或其它教 鸾杭构妁学位或证书而使用过的材辑 与我一同工作的同志对本研究所馘的任何 贡融均已盔论文中律了明确的说明并表示谢意 学位论文题露 垩撼表歪螽签竣毽途生塞鉴叠塞 一 学位论文作者签名 蔓 整煎 日期 p 年 月 舀 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防手毒学技术大学有关保磐 绠用学位论文的规定 本人授权 翻黪静学技术大学可以保鳍并向国家有关都门或梳构送交论文的复印俘和电子文 鹎 允许沦文被蜜溷和借闵 可以将学位论文的全都或部分内客编入有关数据瘁 进行磅索 可以采用影笫 缩印或扫描等爱制手段保存 汇编学位论文 撰密学位论文在蘩密后适用本授权书 学位论文题目 圣趣龙王韪釜墼霪逾耋塞蕴缝塞 学位论文像者签名 堑蔓对 作者指导教师签名 季象臻 日期 2 a l o 年夸月刍日 日期 知 口年弘月莎日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i i i 第一章绪论 1 1 1 光子晶体简介 1 1 2 平板光子晶体的研究进展 2 1 2 1 一维甲板光子晶体 2 1 2 2 二维甲板光子晶体 4 1 3本论文的选题背景与研究内容 8 第二章平板光子晶体的理论模拟方法 10 2 1 时域有限差分方法 1 0 2 2 散射矩阵方法 15 2 3 本章小节 18 第三章平板光子晶体实验研究平台 1 9 3 1s o l 平板光子晶体的制备平台 1 9 3 1 1 制备流程与结果 19 3 1 2 关键工艺与参数的讨论 2 6 3 2 无源平板光子晶体反射谱测试系统 3 0 3 2 1 测试系统的建立 3 0 3 2 2 系统测量精度与稳定性分析 3 3 3 3 本章小结 3 5 第四章一维平板光子晶体反射特性研究 3 6 4 1一维平板光子晶体反射特性的理论研究 3 6 4 1 1 一维甲板光子晶体等效介质理论 3 7 4 1 2 一维甲板光子晶体的能带结构 3 8 4 1 3 一维平板光子晶体的本征模式与反射谱的关系 4 1 4 1 4 一维平板光子晶体的结构参数对反射谱的影响 4 3 4 2 一维平板光子晶体反射特性的实验研究 4 8 4 3 本章小结 51 第五章基于一维平板光子晶体结构的功能器件研究 5 2 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 5 1 一维一 f 板光子晶体频率选择器件 5 2 5 1 1 一维平板光子晶体窄带滤波器 5 2 5 1 2 一维平板光子晶体宽带反射镜 6 0 5 2 一维平板光子晶体偏振控制器件 6 5 5 2 1 一维半板光子晶体偏振器 6 6 5 2 2 一维平板光子晶体偏振分束器 7 0 5 3基于一维平板光子晶体的光学单向器 7 6 5 3 1 结构设计与分析 7 6 5 3 2 数值模拟 7 7 5 4 本章小结 8 1 第六章二维平板光子晶体硅基激光器 8 3 6 1 硅基激光器介绍 8 3 6 2 二维平板光子晶体的基本理论 8 5 6 2 1 二维平板光子晶体的导模禁带 8 5 6 2 2 二维半板光子晶体线缺陷波导的本征模式 8 7 6 3 基于纳米线与二维平板光子晶体波导的硅基激光器 8 8 6 3 1 激光器原理 8 9 6 3 2 纳米线的尺寸对激光器的影响 9 1 6 3 3 激光的面内耦合输出 9 5 6 4 本章小结 9 7 第七章结论与展望 9 8 7 1 本文工作总结 9 8 7 2 后续工作展望 9 9 致谢 1 0 0 参考文献 1 0 2 读博期间发表或撰写的学术论文 11 2 第1 i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图目录 图1 1 一维 二维与三维光子晶体的结构示意图 1 图1 2 一维与二维平板光子晶体的结构示意图 2 图1 3 a d c z o g r a f o p o u l o s 等人设计的折射率传感器示意图 b 传感器的透射 谱随待测溶液折射率的变化关系 c 波长为1 5 7 9 n m 的入射光的透射率随待测溶 液折射率的变化关系 图 b 和图 c 为理论模拟结果 图片源自参考文献 3 2 3 图1 4 a 表面集成一维平板光子晶体反射镜的v c s e l 的扫描电镜图 b v c s e l 中一维平板光子晶体反射镜的扫描电镜图 图片源自参考文献 4 2 4 图1 5 由双层一维甲板光子晶体反射镜构成的f p 腔的扫描电镜图 图片源自参 考文献 4 5 4 图1 6 二维平板光子晶体波导的s e m 图 图片源自参考文献 4 7 5 图1 7 单缺陷二维平板光子晶体激光器示意图 图片源自参考文献 1 5 6 图1 8 多通道级联的下载滤波器示意图 图片源自参考文献 6 2 6 图1 9 光子晶体微腔型光开关 图片源自参考文献 6 3 7 图1 1 0 a 慢光波导的扫描电镜图 b 波导色散曲线随空气孔半径比值的变化 图 片源自参考文献 7 0 8 图2 1 三维时域有限差分的y e e 原胞 1 l 图2 2 二维时域有限差分方法计算区域 1 5 图2 3 分层均匀系统中前向和后向波示意图 0 是入射面 z n 是出射面 1 6 图3 1s o i 平板光子晶体的制备流程 1 9 图3 2i c p r i e 设备的结构示意图 2 l 图3 3 干法刻蚀之后s o i 平板光子晶体结构的扫描电镜图 a 一维平板光子晶体 b 二维平板光子晶体波导 2 3 图3 4 干法刻蚀之后s o i 一维平板光子晶体的斜视图 2 3 图3 5 干法刻蚀之后s o i 一维平板光子晶体端面的扫描电镜图 2 4 图3 6 去胶之后s o i 平板光子晶体的扫描电镜图 2 5 图3 7 湿法刻蚀后一维平板光子晶体的斜视图 2 6 图3 8 电子束聚焦在z e p 上形成的圆斑 2 7 图3 9 a 显影时间过长以及 b 显影时间适中的样品在刻蚀之后的扫描电镜图 1 8 图3 1 0 a 硅片上的光刻胶图形的扫描电镜图 b 利用改进后的刻蚀条件 p i c p 3 4 0 w 刻蚀5 分钟后刻蚀图形的扫描电镜图 c 利用未改进的刻蚀条件 p i c p 4 0 0 w 刻蚀2 分钟后刻蚀图形的扣描电镜图 2 9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 1 1 反射谱测试系统示意图 3 0 图3 1 2 反射谱测试系统照片 3 1 图3 1 3c c d 中观看到的灯丝 光阑与样品的像 3 1 图3 1 4 光阑将样品外部的光挡住后从c c d 中观看到的样品的像 3 2 图3 1 5 光源的输出光功率随时间的变化 3 2 图3 1 6 探测器探测到的 a 硅片反射光的信号 b 镀银反射镜反射光的信号以 及 c 背景噪声信号 3 4 图3 1 7 硅片的归一化反射谱 3 4 图3 1 8 间隔4 8 小时测试的硅片反射率差随波长的变化关系 3 5 图4 1 一维平板光子晶体结构示意图 3 6 图4 2 等效介质理论示意图 3 7 图4 3 正入射条件下弱调制一维平板光子晶体对t e 偏振光的反射谱 平板光子晶 体参数 t o 6 5a 厂 0 5 n h 2 6 n 2 5 图中实线和虚线分别表示用散射矩 阵与等效折射率方法求解的结果 3 8 图4 4 正入射条件下强调制一维平板光子晶体对t e 偏振光的反射谱 平板光子晶 体参数 f o 6 5a 厂 0 5 n j e 3 4 8 忱 1 图中实线和虚线分别表示用散射矩 阵与等效折射率方法求解的结果 3 8 图4 5 均匀平板t e 模的色散曲线 a 以及折叠到不可约布里渊区的能带结构 b 计算所用结构参数 0 6 5 a i t e 2 5 5 n c n s l 3 9 图4 6 a 弱调制一维平板光子晶体t e 模的能带结构 b 能带结构在k o z 2 z r 0 附近的局部放大图 c 能带结构在k x a 2 z r 0 5 附近的局部放大图 平板光子晶体 参数与图4 3 中相同 4 0 图4 7 强调制一维半板光子晶体t e 模的能带结构 平板光子晶体参数与图4 4 中 相同 4 1 图4 8 a k a z 2 n o 以及 b k x a 2 a o 1 时一维平板光子晶体t e 模电场的傅里叶谱 图 平板光子晶体参数 f 0 6 5 a 厂 0 5 甩 3 4 8 n 1 4 2 图4 9 缸沈7 r 0 时一维平板光子晶体t e 模的各本征模式在x z 平面的电场分布 z 1 2 图4 1 0 a k 2 n 0 以及 b k x a 2 n 0 1 时一维平板光子晶体对t e 偏振光的反射 谱 平板光子晶体参数与图4 8 中相同 4 3 图4 1 1 a n e f f 2 5 b 坳 2 0 c n e f f 1 5 时一维乎板光子晶体在正入射条件 下对t e 偏振光的反射谱 结构的其它参数为 叩 4 f 0 6 5 a 厂 0 5 4 4 图4 1 2 折射率调制强度对一维平板光子晶体本征模式q 值的影响 平板光子晶体 的其它参数为 门 2 5 r 0 6 5 a 7 r o 5 4 5 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 1 3 不同折射率调制强度一维甲板光子晶体在正入射条件f 对t e 偏振光的反 射谱 平板光子晶体的其它参数与图4 1 2 中相同 4 5 图4 1 4 a f 0 6 口 b r 0 5 口 c f 0 4 a 时弱调制一维平板光子晶体在正入射条 件下对t e 偏振光的反射谱 平板光子晶体的其它参数为 厂 0 5 n h 2 6 l 2 4 z 1 6 图4 1 5 a r 0 6 口 b 0 5 5 a c f 0 5 a 时强调制 维平板光子晶体在正入射 条件下对t e 偏振光的反射谱 平板光子晶体的其它参数为 厂 0 5 h 3 4 8 n l l 4 6 图4 1 6 填充比对平板光子晶体本征模式q 值的影响 平板光子晶体的其它参数为 f 0 6 5a h 2 6 n l 2 5 4 7 图4 1 7 a f 0 5 b f 0 4 5 c 产0 4 时强调制一维平板光子晶体在正入射条件 下对t e 偏振光的反射谱 平板光子晶体的其它参数为 f o 6 5 门圩 3 4 8 1 l z 1 7 图4 1 8s o i 一维平板光子晶体的结构示意图 4 8 图4 1 9s o i 一维平板光子晶体 a 样品1 和 b 样品2 的局部扫描电镜图 4 8 图4 2 0 正入射条件下s o i 一维平板光子晶体样品1 对t m 入射光的反射谱 a 实验测量数据 b 理论模拟数据 4 9 图4 2 l 正入射条件下s o l 一维平板光子晶体样品2 对t e 入射光的反射谱 a 实 验测量数据 b 理论模拟数据 4 9 图4 2 2 在不同入射角度下样品2 对t e 偏振光反射谱的理论值 5 0 图4 2 3 样品2 在入射角度从0 0 到1 4 5 0 范围内对t e 偏振光反射谱的平均值 5 0 图5 1 正入射条件下一维平板光子晶体对t e 偏振光的反射率与归一化频率的关 系 平板光子晶体的参数为 以 2 1 n 2 0 厂 0 5 0 4 1 4 8 a 5 4 图5 2 正入射条件下一维平板光子晶体对t e 偏振光的反射率与波长的关系 平板 光子晶体的参数为 h 2 1 f l 2 0 厂 0 5 a 9 1 2 n m 3 7 8 n m 5 4 图5 3 a 口 0 0 b 目 1 0 c 臼 2 0 时弱调制一维平板光子晶体滤波器对t e 偏 振光的反射谱 结构参数与图5 2 中相同 5 5 图5 4 弱调制一维甲板光子晶体滤波器中心波长反射率与入射角度的关系 5 5 图5 5 正入射条件下强调制一维平板光子晶体滤波器对t e 偏振光的反射谱 平板 光子晶体的参数为 n h 3 4 8 i l 1 厂 0 1 a 1 2 4 3 n m f 7 6 4 4 n m 5 6 图5 6 a p 0 0 b 口 1 0 c a 2 0 时强调制一维平板光子晶体滤波器对t e 偏 振光的反射谱 结构参数与图5 5 中相同 5 7 图5 7 强调制一维平板光子晶体滤波器中心波长反射率与入射角度的关系 5 7 图5 8 在不同入射角度下带宽可调带阻滤波器对t e 偏振光的反射谱 计算所用其 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学何论文 它参数为 a 1 2 4 6 8 n m 2 4 9 4 n m 厂 0 3 4 n h 3 4 8 n l n n s 1 5 8 图5 9 带宽可调带阻滤波器反射峰的中心波长与带宽随入射角度的变化关系 5 9 图5 1 0 在不同入射角度下带宽可调带通滤波器对t m 偏振光的透射谱 计算所用 其它参数为 a 6 7 3 n m r 4 0 4 n m 厂 0 7 6 h h 3 4 8 h l n c n s 1 5 9 图5 1 l 滤波器透射峰对应本征模式的磁场在x z 平面的分布 a 以及该模式的波 长与q 值随b l o c h 相位的变化关系 b 6 0 图5 1 2 一维平板光子晶体t e 模的能带结构 平板光子晶体的结构参数为 f 0 6 5 a 厂 0 5 珊 3 4 8 h l 1 6 l 图5 1 3 不同b l o c h 相位条件下一维平板光子晶体中电场的傅里叶谱图 计算所用 平板光子晶体的结构参数与图5 1 2 中相同 6 1 图5 1 4 不同入射角度下一维平板光子晶体对t e 偏振光的反射谱 计算所用平板 光子晶体的结构参数与图5 1 3 中相同 6 2 图5 1 5 一维平板光子晶体方向反射镜对t e 偏振光的反射谱 计算所用参数为 0 5 5 a 厂 0 3 8 n h 3 4 8 h l 1 h i n 3 1 0 4 5 0 6 2 图5 1 6a g o 5 1 6 时方向反射镜对t e 偏振光的反射率随入射角的变化关系 计算 所用其它参数与图5 1 5 中相同 6 3 图5 1 7 双层一维甲板光子晶体的结构示意图 6 3 图5 1 8 a m a t e u s 等人设计的宽带反射镜示意图 b 正入射条件下反射镜对t m 偏 振光的反射谱 结构参数为 人 7 0 0 n m t 8 4 6 0 n m t l 8 7 0 n m 厂 o 7 5 h h 3 4 8 挖 1 4 7 n s 3 4 8 6 4 图5 1 9 a 0 2 0 b 0 5 c 0 1 0 d 0 1 5 时m a t e u s 等人设计的反射镜对 t m 偏振光的反射谱 6 4 图5 2 0 a 0 0 b 0 5 c 0 1 0 以及 d 0 1 5 时双层反射镜对t e 偏振光 的反射谱 6 5 图5 2 1 一维平板光子晶体偏振器示意图 6 6 图5 2 2 一维平板光子晶体对t m 偏振光的反射谱 结构参数 0 2 2 a 厂 o 2 n s i 3 4 8 h a i r 1 6 7 图5 2 3 a f 0 2 b f 0 2 5 c f o 3 时一维甲板光子晶体对t m 偏振光的反射 谱 6 1 f 日 u 图5 2 4 一维平板光子晶体对t m 偏振光的反射谱 结构参数 f 0 2 2 a 厂 0 3 玎s l 3 4 8 h a 护 1 6 8 图5 2 5 一维平板光子晶体偏振器对t e 与t m 偏振光的反射谱 结构参数 a 1 0 0 0 n m 2 4 0 n m 厂 0 2 2 h s i 3 4 8 h a i r l 6 9 图5 2 6 a 偏振器透射率随波长与入射角的变化 b 偏振器消光比随波长与入射角 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 的变化 消光比大于4 0 d b 的颜色被饱和 6 9 图5 2 7 a 偏振器模透射率随波长与填充比的变化 b 偏振器消光比随波长与填充 比的变化 消光比大于4 0 d b 的颜色被饱和 7 0 图5 2 8 a 偏振器透射率随波长与光栅厚度的变化 b 偏振器消光比随波长与光栅 厚度的变化 消光比大于4 0 d b 的颜色被饱和 7 0 图5 2 9 一维平板光子晶体偏振分束器示意图 7 1 图5 3 0 归一化频率a 2 0 1 时一维平板光子晶体对t m 偏振光反射率随入射角的 变化关系 结构参数 r 0 5 5 a 厂 0 3 8 阳 2 5 r l 2 0 s l 7 2 图5 3 1 入射角p 6 5 0 4 时一维平板光子晶体对t m 偏振光的反射谱 平板光子晶 体结构参数与图5 3 0 中相同 7 3 图5 3 2 强调制一维平板光子晶体 a 与均匀平板结构 b 对t m 偏振光的反射率 随入射角以及归一化频率的变化关系 7 3 图5 3 3 一维平板光子晶体偏振分束器对t e 偏振光与t m 偏振光的反射谱 计算 所用参数为 a 8 0 0 n m t 4 4 0 n m 厂 0 3 8 弛 3 4 8 n m r 1 日 4 5 0 7 4 图5 3 4p 4 5 0 时偏振分束器的消光比与入射波长的关系 7 5 图5 3 5 a 九 1 4 2 0 n m 以及 b 九 1 5 5 0 n m 时偏振分束器的消光比与入射角的关系 7 5 图5 3 6f d t d 方法计算的 a t e 高斯光束与 b t m 高斯光束入射到偏振分束器 时坡印廷矢量的稳态分布 高斯光束的半径r a 5 a 波长九 1 5 5 0 n m 入射角口 4 5 0 7 6 图5 3 7 单向器的结构示意图 7 7 图5 3 8 硅 二氧化硅一维甲板光子晶体在正入射条件下对t e 偏振光的反射谱 a 以及透射谱 模拟所用参数为 0 3 2 a 0 3 a v i s i 3 4 8 n s o 2 1 4 57 8 图5 3 9 当秒 0 0 2 0 5 以及1 0 0 时硅 氧化硅一维平板光子晶体对t e 偏振光 的透射谱 7 8 图5 4 0 光栅的0 级与l 级透射光衍射系数的模随归一化频率的变化关系 模拟所 用参数为 a 2 2 a f 2 0 3 5 t 2 1 6 口 n s a 1 4 5 n a t r 1 7 9 图5 4 1a 型与b 型单向器的结构示意图 8 0 图5 4 2a 型和b 型单向器 d 4 a 在正入射条件下对t e 偏振光的正向透射谱 a 与反向透射谱 b 8 0 图5 4 3 具有不同厚度二氧化硅均匀层的a 型单向器在正入射条件下对t e 偏振光 的正向透射率 a 以及正向透射率与反向透射率的比值 b 随归一化频率的变化 关系 8 l 图5 4 4a 型单向器 d 4 a 在不同入射角度下对t e 偏振光的正向透射谱 a 和 第v i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 反向透射谱 b 8 1 图6 1 拉曼硅激光器 a 结构示意图 b 激光器波导横截面的扫描电镜图 图 片源自参考文献 116 8 4 图6 2 基于量子阱与硅波导耦合的硅基激光器 图片源自参考文献 1 l9 8 5 图6 3 空气孔型二维三角格子平板光子晶体示意图 8 6 图6 4 二维平板光子晶体类t e 模 a 以及类t m 模 b 的能带图 8 6 图6 5 二维平板光子晶体波导示意图 8 7 图6 6 二维平板光子晶体波导的带图 8 8 图6 7k x a 2 r r 0 5 时二维平板光子晶体波导偶模 a 以及奇模 b 的磁场分量总 在z 0 平面的分布 8 8 图6 8 a 表面放置无限长纳米线的平板光子晶体波导示意图 b 平板光子晶体 波导以及表面放置不同半径纳米线的波导的能带曲线 c 图 b 中a 点磁场分量 飓在z 0 平面的分布 8 9 图6 9 纳米线与二维平板光子晶体波导构成的混合激光器示意图 9 0 图6 1 0 混合激光器相对介电常数与本征模式电磁场的分布 曲相对介电常数在z 0 平面的分布 b 相对介电常数在y 0 平面的分布 c 相对介电常数在x 0 平面的分布 d 足在z 0 平面的分布 e 毋在y 0 平面的分布 f h x 在x 0 平面的分布 9 1 图6 1 l a 模式归一化频率随纳米线长度的变化 b 模式q 值随纳米线长度的变 化 9 l 图6 1 2 a l 矽 4 a 以及 b 三删 踟时电场强度在波矢空间的分布 9 2 图6 1 3 a 模式归一化频率随纳米线半径的变化 b 模式q 值随纳米线半径的变 化 9 图6 1 4 a r n w 0 1 a 以及 b 狮 o 3 口时电场分量e 沿x 方向的分布 9 3 图6 1 5 a r n o 1 a 以及 b r n 缈 0 3 a 时电场分量毛在波矢空间沿岛方向的分布 9 z i 图6 1 6 a 榭 0 1 口以及 b r n 肜 o 3 a 时电场分量b 在x 0 平面的分布 9 4 图6 1 7 激光器的模式限制因子 a 以及模式限制因子与q 值的乘积 b 随纳米线 半径的变化 9 5 图6 1 8 面内发射激光器的结构示意图 9 6 图6 1 9 面内发射激光器本征模式的 在z 0 平面内的分布 9 6 图6 2 0 激光器耦合输出效率 a 以及q 值 b 随 坍的变化关系 9 7 第1 x 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 光子晶体具有许多特异的物理性质以及很好的控制光子的能力 因此在微光 学与光集成等领域有着广阔的应用前景 论文在理论方面研究了一维与二维平板 光子晶体的基本物理特性 提出了几种新颖的基于平板光子晶体结构的功能器件 在实验方面探索和改进了硅基平板光子晶体的制备工艺 自主搭建了无源平板光 子晶体反射谱测试系统 本论文的主要研究内容和研究结果如下 1 建立了甲板光子晶体的时域与频域数值模拟平台 为平板光子晶体物理特 性研究和平板光子晶体功能器件结构设计与性能仿真的需要 建立了基于时域有 限差分方法和散射矩阵方法的数值模拟平台 2 探索和改进了平板光子晶体制备工艺并建立了平板光子晶体测试系统 建 立了稳定的硅基平板光子晶体制备工艺 能够制备出特征尺寸约2 0 0 r i m 的平板光 子晶体结构 样品图形均匀性好 表面和侧壁光滑 侧壁的倾斜角小于4 0 同时 建立了无源平板光子晶体反射谱测试系统 该系统稳定性好 可测量的最小微区 面积约为2 0 9 m 2 0 i t m 利用放大率为2 0x 的物镜 测量的反射率绝对误差约为 0 0 l 3 利用所建立的模拟与实验平台 系统研究了一维甲板光子晶体的反射特 性 在理论方面 从一维平板光子晶体的能带结构与本征模式出发 系统分析了 一维平板光子晶体泄漏模与反射谱的关系 并详细讨论了一维平板光子晶体结构 参数对反射谱的影响 在实验方面 制备和测试了s o i 一维 甲板光子晶体样品 测试结果与理论结果吻合 这一部分的研究为基于一维平板光子晶体结构功能器 件的设计提供了指导 4 提出和设计了几种基于一维平板光子晶体结构的新型频率选择器件 1 提 出了带宽可调单层一维硅平板光子晶体滤波器 这类滤波器的带宽可以通过改变 入射角度来实现动态 连续调节 2 提出了单层一维硅平板光子晶体宽带方向反 射镜 这类反射镜工作带宽很宽而且入射角度容差较大 例如所设计工作在4 5 0 入射角附近的反射镜的相对带宽约为2 3 6 反射率高于9 9 其中一t l 频率的角 度容差约为2 l o 3 利用双层一维硅平板光子晶体设计出具有大角度容差的反射 镜 在 1 5 0 入射角范围内 该反射镜反射率高于9 9 5 的相对带宽约为1 9 3 5 提出和设计了结构非常紧凑的一维平板光子晶体偏振控制器件 1 设计了 单层一维硅平板光子晶体偏振器 该偏振器透射率高于9 8 且消光比大于2 0 d b 的 相对带宽约为2 0 4 2 提出了单层一维硅平板光子晶体偏振分束器 当入射角为 4 5 0 时该偏振分束器反射与透射消光比大于2 0 d b 的相对带宽约为1 4 1 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 6 提出和设计了基于硅 二氧化硅一维甲板光子晶体与二氧化硅 空气衍射光 栅的新型光学单向器 该单向器正向透射率大于6 9 且反向透射率小于1 的相对 带宽超过1 2 3 7 提出和设计了由有源纳米线与二维硅平板光子晶体波导组成的硅基激光 器结构 当有源纳米线放置在硅平板光子晶体波导表面时可以形成模体积很小且p 值很高的激光器 对光子晶体波导的结构进行微调之后 激光器的能量可以直接 从光子晶体波导中输出 面内输出效率可以达到7 0 以上 而工作模式的q 值保 持在3 1 0 5 以上 关键词 平板光子晶体 模拟平台 实验平台 滤波器 反射镜 偏振器 偏振分束器 单向器 硅基激光器 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t p h o t o n i cc r y s t a l s p c s p o s s e s sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l d so fm i c r o o p t i c sa n dp h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s b e c a u s eo ft h ef a s c i n a t i n gp h y s i c a lp r o p e r t i e s a n dg o o da b i l i t i e so fc o n t r o l l i n gp h o t o n s i nt h i st h e s i s w ei n v e s t i g a t e do n ed i m e n s i o n a l 1d a n dt w od i m e n s i o n a l 2 d p l a n a rp c s b o t 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国防科学技术大学研究生院博士学位论文 d e s i g n e dm i r r o rw h i c hw o r k sa r o u n dt i l ei n c i d e n ta n g l eo f4 5 0i sa b o u t2 3 6 w i t h r e f l e c t i v i t yh i g h e rt h a n9 9 a n dt h ea n g u l a rt o l e r a n c eo f t h es a m em i r r o ri sa b o u t21 o a t t h ec e n t r a lw o r k i n gf r e q u e n c y 3 d e s i g n e dam i n o rw i t hb i ga n g u l a rt o l e r a n c eb yu s i n g d o u b l e 1 a y e r1dp l a n a rs i l i c o np c s w i t h i nt h ei n c i d e n ta n g l er a n g eo f 1 5 0 t h er e l a t i v e b a n d w i d t ho ft h ep r o p o s e dm i r r o ri sa b o u t19 3 w i t hr e f l e c t i v i t yh i g h e rt h a n9 9 5 5 p r o p o s e da n dd e s i g n e du l t r ac o m p a c tp o l a r i z a t i o n c o n t r o l l i n gd e v i c e sb a s e do n idp l a n a rp c s 11d e s i g n e dap o l a r i z e rb a s e do nas i n g l e l a y e rp l a n a rs i l i c o np c 1 1 1 e r e l a t i v eb a n d w i d t ho ft h ep o l a r i z e ri sa b o u t2 0 4 w i t ht r a 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a s e r 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 1 1 光子晶体简介 光子晶体的概念