基于全反射的波导异质结构单向传输性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

光子晶体是在1987年由s.john和e.yablonovitch分别独立提出，光子晶体是由介电常数不同的材料在空间周期性排列所形成的一种人工材料结构，具有传输频率范围宽、传输速度快、通信容量大、易集成等优势，已成为制备集成化光电器件的首选材料。基于光子晶体在微纳尺度实现光波单向传输的主要方法，包括利用非线性材料的非线性特性、磁光材料的旋光特性和光子晶体结构的方向带隙特性。基于非线性材料的方法能实现较高的最大透射率和透射对比度，但是这种方法需要很高的光强来产生的光学非线性效应。。基于方向带隙不同的两种光子晶体制成的硅基光子晶体异质结构全光二极管，适用于可集成的半导体加工技术，并已经在实验上实现。但是由于光子晶体的散射效应，正向透射率和对比度都太低，不能满足光通信和光信息处理的需求。

在光学系统中，光源发出的光波在传输过程中，会遇到很多不同的介质，在不同介质界面会发生不同程度的反射。例如，在光通信系统中，光波经过每一个光学器件时，由于光学界面两侧介质的折射率不同，因此,会在界面上发生反射，反射光会沿原光路回到激光器、光放大器等有源器件，当反射光达到一定程度时，会严重影响有源器件的稳定工作，甚至还会造成整个光学系统的工作无法正常运行。为了抑制反射光对光学系统的影响，保证光学系统的稳定性，一种新的光无源器件——光波单向传输器，应运而生。光波单向传输器，又称为光隔离器，或光二极管，与电二极管相类似，它是一种只允许光波非互易传播的无源器件。其作用在于打破光路的可逆性，防止光波反向入射对光源或其他光学器件造成不良影响，提高光路系统的稳定性。光波单向传输器的特点是：低损耗、高隔离度、高稳定性以及高可靠性。与早期块状磁光隔离器相比，目前广泛使用的是集成光波单向传输器，它不仅具有普通光波单向传输器的特点，而且体积小、重

量轻、成本低、性能更稳定。

2. 研究内容和预期目标

提出一种将全反射原理应用到二维电介质光子晶体异质结构造中的新思路，简化了结构的设计难度。用时域有限差分法和平面波展开法研究了具体的光波单向传输情况。

基于全反射理论，用两种二维电介质光子晶体设计了一种光波单向传输器。通过结构参数分析。研究基于全反射原理的二维光子晶体异质结构的 TM 模式光波单向传输特性，并对异质结界面与其左右两侧相邻柱子的水平距离、右波导位置、柱子的折射率三个因素对光波单向传输的影响进行分析。在二维光子晶体异质结界面的设计中引入全反射效应，实现了光波的单向传输。通过场强分布图及能带特性图分析。

3. 研究的方法与步骤

本文采用的主要研究方法为时域有限差分法，以分析光子晶体的传输效率。时域有限差分法 (fdtd)最早是由k.s.yee于1966年提出。是对偏微分波动方程的离散化求解，利用时间和空间将偏微分方程转化为差分方程，从而求解电磁波传播过程中的各个离散点的参量与时间的函数关系。并且通过傅里叶级数的转化，可以同时计算出大的频率范围内的结果。核心思想是把带时间变量的maxwell旋度方程转化为差分形式，模拟出电子脉冲和理想导体作用的时域响应。fdtd有着广泛的应用性、节约运算和存储空间、计算程序的通用性、简单直观等诸多优点。此方法不会局限于光子晶体的几何结构，可以有效地得出所求结构的透射和反射等性能。在光学领域中，fdtd更是被广泛使用。

4. 参考文献

[1]徐婷,李琳,费宏明,刘欣,杨毅彪,曹斌照,陈智辉.实现双偏振光波信号单向传输的二维光子晶体异质结构设计[j].太原理工大学学报,2018,49(04):606-611.

[2]王勇幸. 基于零折射率超材料的光子器件设计和性能研究[d].苏州大学,2018.

[3]罗小光. 复合结构磁光材料的非互易性理论研究[d].东南大学,2018.

5. 计划与进度安排

2022.2 下达任务书

2022.3 查阅相关资料，熟悉基本理论，完成英文翻译，完成开题报告

2022.4 熟悉模拟计算工具，完成模拟计算，得出模拟结果