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近几十年来,光通信技术的发展给通信领域带来了革命性的变化。光波导作为光通信中重要的一个部分,技术上不断完善,材料上不断更新。光子晶体(PhotonicCrystal)这种新型材料的最大特点是存在光子带隙,频率落在光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播,因而具有阻光性,能够很好的控制光在介质中传输。光子晶体波导(PhotonicCrystalWaveguide)的出现为解决光通信中存在的问题提供了良好的解决途径。
目前的研究表明,在光子晶体中引入线性缺陷便可以构成光子晶体波导。这种波导不仅能实现低的传输损耗,而且还能支持非常小的弯曲半径。目前光子晶体波导理论的研究和光子晶体波导器件的应用取得了较大进展。本文在这一基础上,提出在光子晶体波导中引入负折射率材料(NegativeRefractionIndexMaterials),可获得更好的传输特性。
负折射率材料也称为左手材料(Left-HandedMaterials)。“左手性”这一说法的来历是:当ε和μ均为负值时,电磁波的电场E的方向、磁场H的方向,以及波面前进的方向,分别与人的左手大拇指、食指及中指相对应。当电磁波进入负折射率的材料中后,会有与普通材料相反的性质。本文正是利用这些性质对光子晶体波导进行了改进。
由于光子晶体波导具有复杂的结构,无法从麦克斯韦方程出发得到精确的解析解,只是能通过数值计算的方法进行计算机仿真来对光子晶体波导进行分析研究。时域有限差分法(FiniteDifferenceTimeDomain,简称FDTD)具有计算较为简便、通用性和适用性强、节约计算空间和存储空间的优势。本论文采用FDTD方法对光子晶体波导传输特性,包括模场分布、透射率进行了数值模拟。从仿真来看,光子晶体波导在加入负折射率材料之后,具有更高的透射率。通过选择适当的材料和结构,光子晶体波导可工作于1.55微米波段附近,应用于光通信系统。