二维磁性光子晶体器件的设计及研究

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1、分类号043学校代码10590UDC535密级公开深圳大学硕士学位论文二维磁性光子晶体器件的设计及研究学位申请姓名吴昌义专业名称光学学院（系、所）电子科学与技术学院指导教师姓名欧阳征标教授原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文二维磁性光子晶体器件的设计及研究是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日二维磁性光子晶体器件的设计及研究摘要随着现代科学技术的飞速发展，光子晶体磁光器件

2、在微波和光信息技术中扮演重要的角色，已经被视为集成光学系统中不可或缺的基础元件，将为发展新型光子产业提供最基本的技术。目前，我们主要研究光子晶体和磁光材料结合产生的单向特性以及相关的各种光学现象，它在国际上属于比较前沿的研究领域。本文从磁光材料的微观性质出发，根据麦克斯韦方程组推出磁光材料的磁导率张量，再结合光子晶体技术，提出了一种新型的二维光子晶体磁光腔结构，该结构仅用一个磁光材料柱就实现了光子器件功能。首先，利用平面波展开法优化介质正方柱的边长及旋转角度以获得最大的光子晶体禁带，设计了两种结构形式。一种是二维正方晶格结构的光子晶体正方硅柱，正方柱的边长为0.3a，参考介质柱的轴线方向

3、旋转41度，获得了较大的TE禁带；另一种是二维正方晶格结构的光子晶体正方空气柱，正方柱边长0.8a，得到较大的TM禁带。其次，通过有限元方法对光子晶体磁光腔进行模式分析，计算得到了一对偏振方向相互垂直的谐振简并模式，并探讨了磁光腔结构参数、磁光材料性质与外加偏置磁场对传输性能的影响。结合外加偏置磁场，本文研究设计了光子晶体磁控二选一光路选通开关、光子晶体磁控占空比可调以及位相差为π的双路光学时钟信号发生器和光子晶体磁光调制器等三种功能的磁光器件。利用平面波展开法和有限元方法计算了这些光子晶体磁光器件的工作特性，数值结果表明：光路选通开关的开关对比度可达48dB，隔离度可达46dB，开关时

4、间为微秒级或亚微秒级；光学时钟信号发生器的逻辑对比度可达48dB，其脉冲上升时间取决于磁场的变化速度，一般属于微秒级或亚微秒级，时钟频率等于4磁场的变化频率；光子晶体磁光调制器的调制灵敏度可达1.8110[w/T]，调制深度达0.787，具有较理想的调制作用。关键词：光子晶体；磁光材料；光开关；光调制器；光学时钟ITheDesignandResearchonTwo-dimensionalMagneticPhotonicCrystalDevicesAbstractWiththerapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,magneto-pho

5、toniccrystal(MPC)devicesplayanimportantroleinmicrowaveandopticalinformationtechnology.Ithasbeenregardedastheindispensablebasiccomponentsofintegratedopticalsystem,providingabasisforthedevelopmentofnewphotonictechnology.Atpresent,themainresearchesaretheone-wayfeaturesofMPCsandvariousoptical-related

6、phenomenawhicharethefrontierofresearchesinphotonics.Inthispaper,westartfromthemicroscopicpropertiesofmagneto-optical(MO)materials.ThenbasedonMaxwell'sequationstoderiveMOmaterialpermeabilitytensorandbasedonphotoniccrystal(PhC),weputforwardanewkindoftwo-dimensionalphotonic-crystalMOcavitystructurew

7、hichusesonlyasingleMOmaterialrodtorealizethefunctionofphotonicdevices.Firstofall,theplanewaveexpansionmethodwasusedtooptimizethesidelengthandrotationangleofthesquarerodsformingthePhCtoachievemaximumforbiddenband:wehave