基于光子晶體的THz無源器件的研究.pdf

1、太赫茲(Terahertz,THz)技術(shù)是近二十幾年來隨著其產(chǎn)生機(jī)理、檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展起來的,處于紅外與微波輻射之間的一種新型技術(shù)。由于THz本身具有一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),如THz譜包含豐富的物理化學(xué)信息,以及THz脈沖的瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等特征,在很多方面如物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射電天文、移動(dòng)寬帶通信等方面具有一定的應(yīng)用前景。而折射率周期變化的介質(zhì)材料組成的具有光子禁帶的光子晶體可以制造出多種性能優(yōu)越的器件,如光子晶

2、體濾波器、反射器、開關(guān)等,而且能夠根據(jù)需要進(jìn)行合理的引入缺陷或改變結(jié)構(gòu),具有一定的可調(diào)節(jié)性。這種光子晶體的結(jié)構(gòu)同樣也適用于THz波段,而且在THz波段具有一定的優(yōu)勢(shì),因?yàn)門Hz波段的光子晶體結(jié)構(gòu)跟光學(xué)波段的光子晶體相比在制作上容易很多,同時(shí)跟微波波段的光子晶體結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)具有一定的緊湊性。因此,研究THz波段的光子晶體材料,并構(gòu)造。THz光子晶體器件,分析它們的性能,可為THz技術(shù)的應(yīng)用提供一個(gè)有利的基礎(chǔ)。
　　 本文從THz

3、波的特性出發(fā),設(shè)計(jì)出應(yīng)用于THz波段的光子晶體器件。首先從光子晶體的基本結(jié)構(gòu)出發(fā),理論分析周期結(jié)構(gòu)的禁帶的基本特性；其次,根據(jù)微波傳輸線理論深入研究光子晶體線缺陷構(gòu)成的光子晶體波導(dǎo)的傳輸特性,包括傳輸模式、特性阻抗、傳輸損耗等；接著分析光子晶體點(diǎn)缺陷形成的諧振結(jié)構(gòu),分析諧振態(tài)的模式；最后研究光子晶體波導(dǎo)與光子晶體諧振器之間的耦合,利用光學(xué)領(lǐng)域中常用的時(shí)域耦合模理論設(shè)計(jì)光子晶體耦合器,根據(jù)耦合矩陣的方法詳細(xì)分析多個(gè)光子晶體諧振器模型,建立

4、光子晶體結(jié)構(gòu)與濾波器性能參數(shù)之間的聯(lián)系,設(shè)計(jì)出THz頻段下的光子晶體濾波器。論文主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:
　　 1.針對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的幾何特性,用電磁波理論求解難以得到精確的解析解,只能通過采用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真來進(jìn)行分析研究。采用FDTD方法用MATLAB編程計(jì)算對(duì)二維光子晶體的帶隙特性隨其背景材料的介電常數(shù)、占空比以及周期的數(shù)目的變化,得出一系列結(jié)論。
　　 2.相對(duì)于介質(zhì)柱型光子晶體,空氣

5、孔型光子晶體更易于制作和用于集成電路中,在THz頻段采用微機(jī)械或者半導(dǎo)體制作工藝加工。相對(duì)于以往的數(shù)值算法,采用等效折射率方法分析空氣孔型光子晶體波導(dǎo)的傳輸模式特性,在Ka波段實(shí)際制作出樣品并測(cè)試以檢驗(yàn)理論方法。
　　 3.將微波毫米波中的阻抗匹配理論推廣到光子晶體波導(dǎo)中；首先根據(jù)阻抗的最初的定義式,經(jīng)合理的變換變形到能在光子晶體結(jié)構(gòu)中計(jì)算的形式,并通過在光子晶體或光子晶體波導(dǎo)的連接處通過計(jì)算傳輸/反射系數(shù)來驗(yàn)證等效阻抗的計(jì)算式

6、。在不同參數(shù)光子晶體波導(dǎo)相連時(shí),采用漸變結(jié)構(gòu)相連,通過群速匹配的方法來實(shí)現(xiàn)高效傳輸。
　　 4.根據(jù)時(shí)域耦合模理論采用耦合波導(dǎo)和方形諧振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出可調(diào)光子晶體耦合器。耦合器的耦合度采用耦合波導(dǎo)的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié),方形諧振器在一定條件下可適當(dāng)調(diào)整需要的頻段范圍。
　　 5.采用等效電路模型對(duì)光子晶體濾波器建模,將微波濾波器綜合理論應(yīng)用到光子晶體濾波器設(shè)計(jì)中。針對(duì)以往分析和設(shè)計(jì)光子晶體濾波器的方法對(duì)復(fù)雜耦合結(jié)構(gòu)的濾波器分析和設(shè)