研究背景

1. 研究问题:

o 本文旨在解决光器件功能单一、传统出射光集束结构复杂与面积大的问题。具体来说，现有的光子晶体分束器在尺寸紧凑性和功能集成度方面存在不足，难以同时满足高性能与小面积的需求。此外，光信号在出射端易产生大幅发散，限制了其定向传输距离与实用性。

2. 研究难点:

o 该问题的研究难点在于如何在保证高透射率的同时，实现多种分束比例（如直通、上下对称输出及三通道均分），并且在不增加器件复杂度和尺寸的情况下，提升出射光的集束性能和辐射距离。

3. 相关工作:

o 现有工作如厉梦瑶等人实现了低损耗的1x5等比分束器，金轶群等人基于多模干涉实现了能量可调控的分束，许健等人通过逆向设计获得了宽带低损耗的1x3分束器。然而，这些分束器在尺寸紧凑性或功能集成度方面仍有不足。对于出射光的集束，武晴涛等人采用喇叭口结构，胡帆等人通过Y型缺陷与多支路设计，李韵嘉等人利用锯齿结构，但这些方法结构复杂、尺寸较大，不利于器件集成与功能融合。

研究方法

本文设计了一种基于二维三角晶格光子晶体波导的小型化高性能光子晶体分束集束器。具体方法如下：

1. 光子晶体结构设计:

o 采用折射率为1的空气作为背景介质，排列了20×20的折射率为3.4的圆形硅材质介质柱，晶格常数a为625nm，硅介质柱半径R为0.2a（即125nm）。通过引入点缺陷与线缺陷，构建了分束和集束功能的结构。分束功能依赖于结构中间微腔中的两种介质柱，深蓝色介质柱半径为R1，深绿色介质柱半径为R2。通过调节R1和R2的大小，可以在一定范围内自由分配光波能量，并将能量输出至三个输出端口，从而实现不同的分束比。出射端的集束功能依靠四个微腔实现。

2. 仿真方法:

o 利用时域有限差分（FDTD）法进行仿真，分析不同R1和R2值对分束性能的影响，并评估出射端的辐射性能。

实验设计

1. 分束功能仿真:

o 通过调节中心微腔中两个介质柱半径R1与R2，研究其对分束性能的影响。固定R1=125nm，改变R2大小，观察各通道的透射率变化情况。随后固定R2=R，将R1在相同范围与步长下扫描，得到各通道的透射率变化情况。

2. 集束功能仿真:

o 通过分析出射端辐射性能，评估集束功能的效果。特别是针对直通（端口A）的分束情况，分析光波在出射端的辐射距离和旁瓣情况。

结果与分析

1. 分束功能结果:

o 直通状态: 当R1=1.09R，R2=1.27R时，光波能量主要从端口A输出，端口B、C只有少量能量输出。端口A透射率为98.1%，端口B、C均为0.9%。

o 上下通状态: 当R1=1.67R，R2=0.22R时，光波能量主要从端口B、C对称输出，端口B、C的透射率均为49.6%，端口A为0.5%。

o 三通道均分状态: 当R1=1.48R，R2=1.3R时，光波能量在端口A、B、C间均匀输出。端口A的透射率为33.3%，端口B、C均为33.1%。

o 通过调节R1与R2的尺寸，实现了三种分束状态：

2. 集束功能结果:

o 输出端的微腔结构使光波在简化设计中获得约70μm的稳定辐射距离，且无旁瓣产生。与现有文献相比，本文设计的出射端具有最小的结构尺寸（仅164.06μm²），集束传输距离较文献[11]提升5μm，且未出现任何旁瓣。

结论

本文设计了一种小型化高性能光子晶体分束集束器件。通过在中心及输出端口引入微腔，实现了空间紧凑布局的同时，具备了分束比可调的分束功能与辐射距离较远的集束功能。仿真结果表明，通过调整R1与R2的尺寸，光波能量可分配至不同输出端口，实现多种分光比例。与现有文献相比，本文设计的结构简洁、尺寸最小，在光子晶体多功能器件融合与集成化方面具有重要意义。

本文的研究为光子晶体器件的多功能集成提供了新的思路，具有重要的应用前景。