光子晶体微腔滤波器研究开题报告

1. 研究目的与意义

1.1研究背景

随着光通信及光传感网络技术的不断发展，光滤波器已经成为体现网络功能性和灵活性的关键器件之一。随着波分复用技术的应用，实现多通道滤波已经成为实现波分复用的关键问题。对于光滤波器的设计已有不少研究报道，例如基于多层介质薄膜、基于光纤bragg光栅、基于阵列波导光栅或基于相位调制原理的干涉仪结构等设计方法，都可实现。对特定波长的选频和滤波。近年来，已有研究学者提出利用光子晶体来实现滤波器的设计。由于光子晶体可以在很小尺寸的空间中控制光的传播，结构紧凑性好，其光子禁带特性和光子局域特性使光子晶体可以在特定位置及方向对特定波长实现滤波。在光子晶体结构中引入缺陷，可以在光子晶体的完全禁带中打开允带。其中，引入点缺陷可使光子晶体禁带中的某个特定频率的光信号实现光子局域，而线缺陷可以形成光波导进行光传输，其能带范围内的光波均可较好地传输且可以做到能量损耗很少，而引入环形腔可形成多个窄带分布，与之相对应的波长可以实现滤波，然而环形腔滤波存在明显的多模特性，无法实现对单一波长的滤波。

1.2研究目的

2. 研究内容和预期目标

光子晶体和光子禁带结构使控制电介质中的光子流动有了可能,而控制光子的主要方法就是在光子晶体中引入缺陷。由点缺陷构成的微腔和共振器以及由线缺陷构成的波导是目前研究的重点。因为这两种结构的组合可以在一个很小的尺度下实现对光子的控制,是未来超小光学器件和全光回路的最关键部分。而在这其中,利用微腔点缺陷模和波导线缺陷模的共振实现分路滤波的结构因为在波分复用光通信系统中的巨大应用潜力而倍受关注。

普通的2d多分路光子晶体滤波器由多个典型的3端口结构组成,中间横向的是主波导,分路波导与它垂直。在主波导和分路波导之间,有符合一定条件的微腔点缺陷。通过点缺陷模和波导线缺陷模的共振,把主波导上各个特定频率的光子引入到各个微腔内,再散发到各自对应的分路波导上。仿真中采用的多分路光子晶体滤波器基本模型是3分路结构。两边各有两路分波波导,这样可以提高器件的集成度。

通过对带反射微腔的3端口分路滤波器的理论分析,发现只要微腔的品质因数q以及到两条波导的衰减率满足一定条件,通过反射主波导中剩余对应频率的光子,该结构的抽取效率理论上可以接近100%。为此尝试在普通的2d多分路光子晶体滤波器的基础上,加入反射微腔结构,设计了以下两种结构的高效多分路滤波器。

3. 研究的方法与步骤

时域有限差分法是目前广为使用的分析光子晶体微腔的数值方法,由yee于1966年提出,直接求解麦克斯韦旋度方程,利用二阶精度的中心差分近似把旋度方程中的微分算符直接转换为差分形式空间上使电磁分量交错放置,在时间轴上电分量和磁分量相差半个时间步。光子晶体的理论研究问题,可以归结为光在光子晶体中的传播问题,于是可以由宏观麦克斯韦方程组来求解。光子晶体的麦克斯韦方程组为：

式中ε(r)是光子晶体的介电常量,它是空间坐标的函数;有关光子晶体理论计算的焦点问题是如何由已知的介电常量ε的分布求解上面的麦克斯韦方程组。

4. 参考文献

[1]陈颖，王文跃，范卉青，卢波，异质结构光子晶体微腔实现多通道可调谐滤波，红外与激光工程，2014，第43卷第10期:3400-3403

[2]吴斌,王庆康.带反射回馈的高效光子晶体多路滤波器件[j].光学精密工程,2007,15(8):1208-1214.

[3]yunmj,wany,liangj.multichannelbiosensorbasedonphotoniccrystalwaveguideandmicrocavities[j].optik,2012,123(21):1920-1922.

5. 计划与进度安排

（1）2022-03-03----2022-03-10查阅相关资料、熟悉基本理论

（2）2022-03-11----2022-03-19完成英文翻译

（3）2022-03-20----2022-03-31完成开题报告