本站小編為你精心準備了光子晶體波導結構優化參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《中國激光雜志》2015年第十二期

摘要

通過平面波展開法(PWE)計算硫系光子晶體帶隙并采用時域有限差分法(FDTD)模擬硫系60°彎曲光子晶體波導的傳輸特性,在波導彎曲部分線缺陷處添加小空氣孔缺陷，提高了其帶寬和透光性。在60°彎曲區域線缺陷外邊緣處引入2個對稱空氣孔，通過改變其半徑來改善波導傳輸效率。模擬結果表明，當引入半徑為0.54R的空氣孔時，傳輸帶寬由初始的60nm提高到161nm，但此時透射率波動性較大。在此基礎上在彎曲線缺陷中心處又引入若干個空氣孔，當引入3個半徑為0.48R的空氣孔時，此種結構不但提高了波導的傳輸效率，并且使傳輸帶寬增加到340nm。將單個60°彎曲波導優化結構應用于連續60°彎曲波導中，研究結果表明連續彎曲波導的傳輸效率得到顯著提高。

關鍵詞

集成光學;硫系玻璃;光子晶體波導;傳輸效率;帶寬

1引言

集成光學的快速發展為全光網絡的實現提供了可能性，作為集成光學的基礎原件,光波導應具有低損耗和高集成性等特征[1-4]。為了減小光波導尺寸以達到高集成性的要求，可設計彎曲光路的波導結構，然而，傳統全反射介質彎曲光波導具有一個嚴重的缺陷即彎曲半徑必須限制到毫米級[1]，并且嚴重影響光傳輸效率。隨著光子晶體(PhCs)的出現，這一問題可以得到有效的解決。光子晶體是一種新型光學結構，由不同折射率介質材料在空間中堆疊成周期性排布，會產生光子能帶和光子帶隙(光子禁帶)[4-7]，并通過折射率的周期性調制進行光學傳輸。當某一個入射頻率光落在光子能帶中，這種頻率的光可以在光子晶體中傳輸；當這種頻率的光落在光子禁帶中則不能在光子晶體中傳輸，但如果在光子晶體中引入線缺陷，即使光落在光子禁帶中光也可以有效地進行傳輸[7-8]。

中遠紅外區域光譜包含了絕大多數分子活動的特征譜線，3~5mm和8~12mm這2個大氣窗口在空氣中相對透明且極其重要,是生物、化學傳感研究的重要領域，因此研究中紅外波段傳感器件具有重要的現實意義。碲酸鹽玻璃[9]、氟化物玻璃[10]和硫系玻璃[11-13]都是性能優良的中紅外材料，其中硫系玻璃具有較寬的紅外透過窗口、超高的三階非線性折射率系數n2(n2=2~20×10-18m2/W)[11,14-20]，是中紅外傳感器件的優良載體，在集成光學結構、低功率器件、未來全光網絡等領域具有較大的潛在應用價值[11,20]。

彎曲波導傳輸損耗大的一個重要原因是光在波導彎曲區域和直區域傳輸模式不匹配。相比于傳統脊型波導或條形波導，光子晶體波導理論上可以實現任意彎曲角度低損耗的傳輸。在過去十幾年中，在提高彎曲光子晶體波導的傳輸特性方面已經有多種方案被提出。Mekis等[6]首次報道了光在90°彎曲介質型正方晶格中傳輸，其傳輸效率在某些頻率可以實現完全傳輸并且在很寬的頻率范圍內高達95%以上；Chutinan等[21-23]在波導的彎曲區域引入一個諧振腔來優化其傳輸特性，其傳輸帶寬可以提高到161nm；Sarah等[4]通過引入光流體來提高彎曲波導傳輸效率，當在彎曲區域引入點缺陷并注入光流體，通過改變空氣孔的半徑和光流體的折射率，光在波導中傳輸效率得到大大提高，并且其帶寬調整到88~138nm；最后，Moghaddam等[8,24-25]通過改變線缺陷的寬度優化傳輸效率，傳輸帶寬由70nm增加到160nm。本文選擇Ge20Sb15Se65(折射率n=2.65)作為基質材料，在光子晶體波導的彎曲區域外邊緣和中心位置處添加空氣孔缺陷，通過改變其半徑大小和個數，利用平面波展開法(PWE)和時域有限差分法(FDTD)進行優化模擬，使單個彎曲光子晶體波導的傳輸效率得到改善，傳輸帶寬從60nm提高到340nm；同時使連續彎曲光子晶體波導的傳輸效率也得到提高。

260°彎曲光子晶體波導優化

圖1(a)給出了60°彎曲三角晶格光子晶體波導的典型結構，這也正是本論文所研究彎曲光子晶體波導初始結構，它是在完整光子晶體中移除一條水平線缺陷以及與水平方向呈60°的線缺陷而形成的。其主要參數如下：空氣孔半徑R=0.36a(a是晶格常數)，基質材料為硫系材料Ge20Sb15Se65。利用PWE計算TE偏正模式下該結構完整硫系光子晶體的帶隙頻率范圍為0.3~0.4(單位:ωa/2πc)[4,8]。為了使該光子晶體波導工作在中紅外波段，選擇晶格常數a=1000nm，工作波長l范圍為2817~3278nm。圖1(b)給出了該60°彎曲波導結構的透射譜。由圖可以看出，某些波長的光能很好地在波導中傳輸，但總體而言，其傳輸帶寬(傳輸效率高于90%的波長范圍寬度)較窄(只有60nm)，因此需要對其結構進行優化，提高其傳輸效率。

首先在彎曲區域線缺陷外邊緣處引入2個空氣孔，通過改變空氣孔半徑大小來提高彎曲光子晶體波導傳輸效率，優化后的彎曲光子晶體波導結構如圖2所示。雖然引入1個空氣孔也能使波導彎曲區域保持對稱，但彎曲區域平緩效果不佳，因此引入2個空氣孔保證了波導結構的對稱性和彎曲區域的平緩度，這里引入的空氣孔半徑r分別為0.6R，0.54R，0.48R，0.42R，2個空氣孔中心距離為520nm。最后得到對應的傳輸效率如圖3所示，表1給出了對應結構的傳輸帶寬。

與圖1(b)相比，圖3所示傳輸效率明顯得到了改善，并且傳輸帶寬也有一定程度提高。圖3中傳輸帶寬隨著空氣孔半徑的增加而增大。當空氣孔半徑增加到0.54R時[見圖3(c)]，傳輸帶寬達到極大值，傳輸效率在一定波長范圍內相對平坦。當空氣孔半徑r=0.6R時[見圖3(d)]，雖然傳輸效率的波動比圖3(c)要小得多，但是傳輸帶寬開始下降(由表1可以看出，空氣孔半徑r=0.54R時傳輸帶寬是最大的)，此外空氣孔半徑r=0.6R，將會導致2個空氣孔之間間隙變小，后續的制備工藝難度有所增加。為了進一步優化帶寬特性，在圖2(c)結構基礎之上，在彎曲區域線缺陷中心處繼續引入空氣孔，通過改變空氣孔個數來提高波導傳輸效率。假設引入空氣孔個數N=0，1，3，5，空氣孔半徑大小均為0.48R(半徑大小為0.48R模擬效果最佳)。最終得到波導結構如圖4所示(N=1時新引入空氣孔處于彎曲區域線缺陷中心位置，與圖2(c)兩個優化空氣孔的距離均為520nm，N=3和N=5時其余空氣孔處于線缺陷中心位置，與新引入空氣孔的距離為1000nm)，圖5給出相對應的傳輸效率圖，表2給出了對應結構的傳輸帶寬。從模擬結果可以明顯看出進一步優化后的傳輸效率相比初步優化得到很大程度地提高。圖5(a)給出了初步優化結構對應的傳輸效率，此時引入空氣孔個數N=0；當空氣孔個數增加到1時[如圖4(b)所示]，其對應傳輸效率得到提高并且傳輸帶寬增加到263nm；當空氣孔個數N=3時，傳輸帶寬達到最大值340nm，并且在整個波長范圍內傳輸效率相對平坦[如圖5(c)所示]；圖5(d)給出了空氣孔個數N=5的傳輸效率，此時傳輸帶寬只有74nm，之后隨著N增加傳輸效率會繼續減小。根據以上分析，可以得出當空氣孔個數N=3時，60°彎曲光子晶體波導結構具有最高的傳輸效率和帶寬。

3連續60°彎曲光子晶體波導優化

傳統的連續彎曲光子晶體波導結構如圖6(a)所示，其對應的傳輸效率如圖6(b)所示，由圖可以看出這種結構的光子晶體波導傳輸效率極低，在很寬的波長范圍內光幾乎不能傳輸?；趫D4(c)的優化方案，將其應用到傳統的連續60°彎曲光子晶體波導結構，優化后的結構如圖7(a)所示。在該結構中，2個彎曲區域線缺陷外邊緣處空氣孔半徑都為0.54R，在彎曲區域線缺陷中心處添加的空氣孔半徑為0.48R。圖7(b)給出了優化后波導結構的傳輸效率圖，與圖6(b)相比，容易發現傳輸效率得到了顯著提高。通過以上單個60°和連續60°硫系基質光子晶體波導的結構優化，結果表明該優化后的硫系彎曲光子晶體波導結構在中紅外波段具有優良的傳輸性能。這種新型的彎曲波導結構設計可以擴展傳輸帶寬，降低傳輸損耗，為未來全光網絡的實現奠定基礎。

4結論

通過PWE、FDTD模擬單個60°和連續60°硫系彎曲光子晶體波導傳輸特性。在光子晶體波導彎曲區域外邊緣處引入2個對稱空氣孔，通過改變空氣孔半徑r來提高傳輸效率。選擇空氣孔半徑r=0.42R，0.48R，0.54R，0.6R，模擬結果表明，當空氣孔半徑r=0.54R時，傳輸效率波動相對較小并且傳輸帶寬達到161nm。因此，將彎曲區域線缺陷外邊緣處2個空氣孔半徑r=0.54R作為初次優化結果。然后在彎曲區域線缺陷中心處引入若干空氣孔，通過改變空氣孔個數來提高傳輸效率，模擬結果表明當引入3個半徑為0.48R的空氣孔時，傳輸帶寬達到最大(340nm)。利用以上方法對連續60°彎曲光子晶體波導結構進行優化，結果表明，經過優化的連續60°彎曲波導傳輸效率和帶寬都可得到一定程度的提高。本論文的研究結論可為60°彎曲光子晶體波導在中紅外波段的傳輸應用提出一種更優的結構方案。

作者：魏鳳娟 張巍 韓金濤 王賢旺 吳越豪 張培晴 戴世勛 聶秋華 單位：寧波大學高等技術研究院紅外材料與器件實驗室 浙江省光電探測材料及器件實驗室