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光子晶体是一种介电常数成周期分布的人造晶体结构,周期为光波长量级,其概念提出为控制光等电磁波的传播和运动提供了一个全新的途径。光子晶体具有光子带隙和负折射等特性,可以利用其独特的性质制作各种全新的高性能光学器件,如光波导、谐振腔、滤波器、超透镜等,它们具有很多传统器件所无法比拟的优点。光子晶体的应用是实现未来集成光路和全光互联的关键。
本论文从光子晶体理论计算和制作工艺出发,对基于SOI二维光子晶体平板的新型光子晶体波导器件和负折射聚焦器件进行设计仿真,以及对样品制作的电子束曝光工艺流程进行探索。
波导器件方面,论文首先提出了二维光子晶体正方晶格复式嵌套的介质柱结构,并进一步设计了线缺陷波导结构。在理论上利用平面波展开法(PWE)和时域有限差分方法(FDTD)相结合进行数值仿真,证实了所设计的完整周期结构光子带隙存在,且比同材料简单正方晶格周期结构的最大光子带隙宽度大;而通过参数优化的线缺陷波导,支持光波长为1.55μm附近的单模传输,且具有平坦的色散曲线和通带边缘良好的上升下降特性,具有很好的实用特性。
负折射聚焦器件方面,采用自行设计的仿真路径和数据处理算法,获得完整周期结构的光子晶体等频率曲线,并进行二维SOI三角晶格空气孔光子晶体负折射平板设计仿真,发现所设计平板的负折射效应具有强烈的入射角度敏感性和透射光会聚宽度的稳定性,其有效会聚宽度与普通单模光纤模场尺寸相当,有望用于与普通光纤光束耦合。
实验方面,在理论设计基础上对光子晶体波导样品工艺制作进行了深入摸索。详细了解工艺过程各步骤,特别是电子束曝光工艺流程,探询适合样品制作的条件,通过利用扫描电子显微镜观察波导样品,对样品结构和质量进行全面分析,积累了关于版图设计中的尺寸大小估计、直线光栅添加、结构邻近效应与曝光剂量对比等工艺经验。
论文在光子晶体器件理论和工艺方的研究成果为后续系统开展光子晶体设计和制作的研究打下良好的基础。