特殊光子晶體特性分析與應(yīng)用研究.pdf

1、光子晶體是由兩種或兩種以上折射率周期變化的材料所構(gòu)成的人工晶體。目前，有關(guān)光子晶體的理論已經(jīng)比較成熟，基于光子晶體的器件也相繼被提出。但是一些特殊類型光子晶體的研究有待進(jìn)一步深化和完善，因?yàn)樗鼈兙哂幸恍﹤鹘y(tǒng)光子晶體所不具有的特性，能夠進(jìn)一步滿足人們的實(shí)際需求，具有非常重要的應(yīng)用前景。
　　 本論文對(duì)具有良好應(yīng)用前景的三種特殊類型光子晶體：具有無序度的一維金屬介質(zhì)光子晶體(MDPC)、磁化等離子體介質(zhì)光子晶體(PDPC)以及二維菱

2、形晶格光子晶體(RLPC)展開了研究；根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，研究了140GHz頻段的介質(zhì)打孔和金屬柱結(jié)構(gòu)的光子晶體濾波器的特性，設(shè)計(jì)加工了金屬柱光子晶體濾波器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
　　 論文的主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)提出在一維MDPC中引入無序度，研究了無序度對(duì)其帶隙特性的影響。結(jié)果表明：只有選取適當(dāng)?shù)臒o序度才能有效展寬光子帶隙寬度，無序度過大，會(huì)加劇光子局域的離散化，導(dǎo)致連續(xù)禁帶被分裂成一系列小禁帶；周期數(shù)越多

3、，則形成的光子帶隙越寬；隨著入射角度的增加，TE和TM極化波的帶隙寬度均減小。
　　 (2)全面深入地研究了磁化PDPC中電磁波的傳輸、色散和帶隙特性。采用傳輸矩陣法研究了任意角度入射、具有外加磁場(chǎng)的一維PDPCTE極化波的特性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，改變外加磁場(chǎng)可以有效控制TE極化波的帶隙位置和寬度，其帶隙寬度隨著入射角度的增加而展寬。采用改進(jìn)PWM法得到了具有外加磁場(chǎng)的二維PDPC的線性本征方程，導(dǎo)出了具有任意外加磁場(chǎng)的磁化等離

4、子體的FDTD輔助方程，采用FDTD方法研究了波矢方向任意時(shí)二維磁化PDPC TE極化波的色散特性。對(duì)于TM極化波，隨著等離子體密度和介質(zhì)介電常數(shù)的增加，帶隙寬度增大。對(duì)于TE極化波，首次觀察到色散曲線在外加磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)局部帶隙和兩個(gè)平帶區(qū)域，上下平帶的上頻率點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于等離子體的右旋和左旋截止頻率；隨著外加磁場(chǎng)的變化，局部帶隙及平帶的位置都發(fā)生移動(dòng)，并且存在一個(gè)最佳的外加磁場(chǎng)使局部帶隙寬度最大；提高介質(zhì)的介電常數(shù)，色散曲線中出現(xiàn)全向

5、帶隙；當(dāng)波矢方向任意時(shí)，隨著z向波矢的增加，帶隙的中心頻率不斷上移，帶隙寬度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。
　　 (3)研究了具有任意晶格夾角的二維RLPC的帶隙特性和傳輸特性。結(jié)果表明：在由介質(zhì)硅—空氣孔構(gòu)建的二維RLPC中，當(dāng)晶格夾角大于40°時(shí)，TE極化波的第一條帶隙總是存在，改變填充率，在不同晶格夾角時(shí)都存在一個(gè)最大帶隙寬度；而TM極化波的第一條帶隙寬度相對(duì)較小。以70°晶格夾角為例，在具有缺陷結(jié)構(gòu)的二維介質(zhì)柱RLPC中，隨著點(diǎn)缺陷圓

6、柱填充率的增大，TM極化波對(duì)應(yīng)的缺陷模頻率降低；當(dāng)存在線缺陷時(shí)，F(xiàn)DTD模擬結(jié)果表明對(duì)應(yīng)于缺陷模頻率的電磁波能夠較好地沿線缺陷傳播，從而表明RLPC在構(gòu)建任意拐角光子晶體波導(dǎo)方面具有重要的應(yīng)用前景。
　　 (4)結(jié)合實(shí)際需求，采用HFSS軟件模擬研究了介質(zhì)打孔和金屬柱結(jié)構(gòu)的兩種類型光子晶體濾波器的濾波特性，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)加工了中心頻率為142.5GHz，3dB帶寬為5.83GHz的金屬光子晶體濾波器，并對(duì)其分別在75GHz～1