微帶光子晶體及其在微波器件中的應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，光子晶體因其對(duì)電磁波特殊的操控能力引起了人們的廣泛興趣?；诠庾泳w概念的光學(xué)器件已經(jīng)可以對(duì)電磁波在其中的傳播方向、傳播速度、能量分布以及色散特性等方便地進(jìn)行控制。而借助于成熟的制備加工工藝，光子晶體的概念被迅速引申到微波波段，本文中主要研究的微帶光子晶體就是光子晶體在微波波段的一個(gè)重要研究方向。微帶光子晶體具備許多傳統(tǒng)光子晶體所沒(méi)有的特點(diǎn)，如，可通過(guò)控制微帶器件中的分布參數(shù)對(duì)折射率的空間分布方便地進(jìn)行調(diào)控、雙導(dǎo)體結(jié)

2、構(gòu)可為器件提供多種引入周期性結(jié)構(gòu)的方式、波導(dǎo)的連通性可以方便地進(jìn)行改變等等。本論文中，我們結(jié)合這些特性對(duì)微帶光子晶體及其中局域模式進(jìn)行了較為深入的研究，提出了多種高性能的微波器件，并通過(guò)電磁場(chǎng)數(shù)值仿真以及微波實(shí)驗(yàn)對(duì)這些原理和器件進(jìn)行了驗(yàn)證。論文第二章中，我們主要研究了波導(dǎo)連通性的改變對(duì)于光子晶體缺陷模的影響，首次提出了一種具有分枝型結(jié)構(gòu)的微帶光子晶體缺陷，其最大的特點(diǎn)是，以其設(shè)計(jì)的多通道濾波器的體積將不再隨通道數(shù)的增加而變大

3、。我們知道，傳統(tǒng)的多通道濾波器需要通過(guò)增加缺陷的長(zhǎng)度或者缺陷的個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多通道濾波效應(yīng)。這樣，當(dāng)通道個(gè)數(shù)較多時(shí)器件的體積將迅速增大。而通過(guò)引入分枝型缺陷，即在缺陷區(qū)域引入對(duì)應(yīng)于不同諧振頻率的多條微帶路徑，可以使得禁帶中通訊頻道的個(gè)數(shù)不再與光子晶體中缺陷的個(gè)數(shù)相關(guān)聯(lián)，而是由同一缺陷區(qū)域微帶通道的個(gè)數(shù)決定。因此，這種基于分枝型缺陷的多通道濾波器可以有效地減小器件的體積。數(shù)值仿真和微波實(shí)驗(yàn)都對(duì)這一效應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證。另外，通過(guò)電路仿

4、真，我們還設(shè)計(jì)了一種具有分枝型結(jié)構(gòu)，并且含有左手材料的微帶多通道濾波器，進(jìn)一步減小了器件的體積，優(yōu)化了器件的性能。論文第三章中，我們提出可以將微帶光子晶體缺陷作為一種有效高度色散材料，將其與傳統(tǒng)微帶線諧振器相結(jié)合可以得到一種高效的微帶光子晶體諧振器，其品質(zhì)因子的增加非常迅速而其透射效率的下降卻十分緩慢。文中通過(guò)數(shù)值仿真說(shuō)明了將微帶光子晶體缺陷作為一種有效高度色散材料的可行性，并進(jìn)一步指出其色散特性可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)

5、進(jìn)行控制。將這種有效材料與傳統(tǒng)的微帶線諧振器相結(jié)合得到的復(fù)合型微帶諧振器可以有效的減小諧振峰的線寬，其品質(zhì)因子也可以由其結(jié)構(gòu)參數(shù)簡(jiǎn)單控制。數(shù)值仿真和微波實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都說(shuō)明：復(fù)合型微帶諧振器品質(zhì)因子的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的微帶線諧振器，而與此同時(shí)其諧振峰透射率的下降十分緩慢。這提示我們，通過(guò)控制人工結(jié)構(gòu)的色散特性，而不是直接采用具有高度色散的自然材料，可能為提高固態(tài)器件的性能提供一個(gè)新的途徑。另外，為減小由諧振腔邊界處電磁場(chǎng)的輻

6、射與散射而造成的能量損失，我們還對(duì)這種基于有效高度色散材料的微帶光子晶體諧振器進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，從而使得其品質(zhì)因子得到再次提高。論文第四章中，我們首先介紹了一種基于光子晶體局域模的微帶耦合器。光子晶體局域模對(duì)于電磁波具有很強(qiáng)的束縛作用，可以將電磁能量約束在一個(gè)很小的區(qū)域中。將其中高度局域的電磁能量通過(guò)另一條微帶線進(jìn)行耦合，可以得到更高的耦合效率。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果都表明，與傳統(tǒng)的微帶線濾波器相比，基于光子晶體局域模的微帶耦合