一維光子晶體全向反射鏡和濾波器的設(shè)計及特性研究.pdf

1、光子晶體是由不同折射率或波阻抗的材料通過周期性排列形成的一種人工材料。與高維光子晶體相比，一維光子晶體因其結(jié)構(gòu)簡單、容易制備且具有類似于完全光子禁帶的全向反射帶，在理論和實驗上得到了廣泛研究，主要集中在一維電介質(zhì)光子晶體全向反射鏡和濾波器的研究上。如今除電介質(zhì)材料外，越來越多的其他材料用于光子晶體的研究，從而發(fā)現(xiàn)了許多新特性，為上述器件的進一步研究提供了新的思路和方法。本文的主要內(nèi)容是基于提高工作性能同時簡化結(jié)構(gòu)的目的，研究一維電介質(zhì)和

2、磁光子晶體全向反射鏡和濾波器的設(shè)計及特性，具體研究內(nèi)容與結(jié)果歸納如下：
　　 (1)由于已報道的一維準周期電介質(zhì)光子晶體全向反射鏡的全向反射帶比傳統(tǒng)的一維周期電介質(zhì)光子晶體全向反射鏡寬很多，但結(jié)構(gòu)卻復(fù)雜得多，因此本著擴展全向反射帶同時簡化總體結(jié)構(gòu)的目的，以低階Thus-Morse準周期光子晶體(Si)Pi(i=1，2)為設(shè)計載體并利用十進制遺傳算法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了一種結(jié)構(gòu)簡單的一維低階準周期電介質(zhì)光子晶體寬帶全向反射鏡(S1

3、)6(S2)6(S'1)10，其全向反射帶寬為1.508ω0，總厚度為5.2704λ0，總膜層數(shù)為56。與已報道的高階準周期電介質(zhì)光子晶體寬帶全向反射鏡相比，新結(jié)構(gòu)具有更寬的全向反射帶，而總膜層數(shù)、總厚度和無序度均大為降低。為了驗證理論設(shè)計的可靠性，利用電子束蒸發(fā)法制備了該結(jié)構(gòu)，測得的全向反射帶較寬，覆蓋了光纖通信的全部工作窗口，與理論值吻合較好。
　　 (2)以進一步提高器件工作帶寬同時簡化結(jié)構(gòu)為目的，將高磁導(dǎo)率的磁性材料和高

4、介電常數(shù)的電介質(zhì)材料交替組成一維電介質(zhì)-磁光子晶體以增大膜層波阻抗比，并利用十進制遺傳算法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了一種結(jié)構(gòu)簡單的雙光子晶體異質(zhì)結(jié)寬帶全向反射鏡(0.255A，0.255B)5(0.169A，0.066B)8和寬帶高精度空間濾波器(0.191A，0.201B)14(0.2878B'，0.2955A’)14。其中全向反射鏡的全向反射帶寬為1.34ω0，總膜層數(shù)為26，總厚度為1.8634λ0。該結(jié)構(gòu)比已報道的四分之一波堆電介質(zhì)-

5、磁全向反射鏡更簡單而全向反射帶更寬；與上述準周期電介質(zhì)結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)在保證可媲美的全向反射帶的同時總體結(jié)構(gòu)大為簡化。所得空間濾波器的全向反射帶寬為1.496ω0(包含濾波頻率)，總膜層數(shù)為56，總厚度為5.8435λ0。該結(jié)構(gòu)比已報道的電介質(zhì)空間濾波器更簡單，全向反射帶更寬，而且具有高精度的濾波品質(zhì)。此外利用經(jīng)過實驗測量的低色散、低吸收、輕質(zhì)的有機高分子磁性材料設(shè)計了工作于微波段的寬帶高精度空間濾波器(0.199A，0.28B)15(

6、0.2893B'，0.2269A’)15，總膜層數(shù)為60，總厚度為0.4244m，全向反射帶寬為0.657GHz。
　　 (3)分析了等折射率材料交替組成的一維等折射率光子晶體的禁帶帶邊特性，基于入射角域構(gòu)造異質(zhì)結(jié)的方法系統(tǒng)分析了該種光子晶體全向反射帶的擴展。結(jié)果表明，該種光子晶體的禁帶隨著入射角的增大而逐漸膨脹，有利于全向反射帶的擴展；由于禁帶帶邊的特殊性，其全向反射帶的擴展實則是子光子晶體高反射區(qū)的無重疊無縫拼接，因此并不要

7、求每個參與疊加的子結(jié)構(gòu)具有各自的全向反射帶；參與疊加的子結(jié)構(gòu)越多，對材料折射率和波阻抗比的要求越低，從而拓展了材料的可選范圍。利用這種等折射率光子晶體的特殊性質(zhì)，可以設(shè)計出純電介質(zhì)光子晶體很難實現(xiàn)的新功能光電器件。
　　 (4)基于一維非等折射率光子晶體和等折射率光子晶體豐富的禁帶帶邊特性，利用兩個不同光子晶體禁帶帶邊相交叉的方法，設(shè)計了四種不同功能的具有寬非傳輸帶的窄帶通非空間濾波器。設(shè)計結(jié)果表明，磁性材料的引入豐富了帶邊特性