光子晶體和電磁超穎材料在太赫茲頻段的應(yīng)用研究.pdf

1、太赫茲（THz）頻譜代表一個特別有趣的頻段，它既不能很明確地歸于微波段或光波段，又不能用目前已有的微波或者光波理論去直接研究。但其有著廣泛的應(yīng)用前景，因此THz產(chǎn)生、接收、與物質(zhì)的作用及其傳輸?shù)认嚓P(guān)領(lǐng)域成為目前國際上的研究熱點和難點。由于缺少低損耗、低吸收、低色散傳輸THz波的波導(dǎo)材料，現(xiàn)有的THz波系統(tǒng)都是基于自由空間傳播理論，而太赫茲波在自由空間中的傳輸損耗又很大，因此，以波導(dǎo)為基礎(chǔ)的太赫茲材料和器件就成了太赫茲傳輸?shù)闹匾A(chǔ)，也是

2、太赫茲波能否廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。光子晶體和電磁超穎材料作為一種新型人工材料有望在THz功能器件的開發(fā)和研制中起到越來越大的作用，也成為THz系統(tǒng)的集成化和小型化的研究熱點。本文主要圍繞光子晶體和電磁超穎材料在THz頻段的應(yīng)用基礎(chǔ)而展開，主要內(nèi)容包括：
　　 ⑴THz光子晶體功率分配器：利用平面波展開法理論，通過改變二維正方形THz光子晶體的結(jié)構(gòu)對其帶隙進(jìn)行優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上設(shè)計不同結(jié)構(gòu)的二維正方形THz光子晶體功率分配器，并利用時域有

3、限差分法對進(jìn)行分析比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型T形功率分配器通帶幅頻特性的平坦度為84％和92％，優(yōu)于普通型T形功率分配器的頻帶平坦度76％，另外改進(jìn)型T形功率分配器的兩輸出端口間的隔離度也高于普通型。改進(jìn)型Y形功率分配器-3dB帶寬達(dá)0.224THz，峰值為1655.73，都優(yōu)于普通型的0.216THz和1577.25，使改進(jìn)型的Y形功率分配器更為實用。在以上理論分析的基礎(chǔ)上，我們利用現(xiàn)代光刻工藝制備了相應(yīng)的二維THz光子晶體功率分配器。

4、r>　　 ⑵THz光子晶體上/下載濾波器：設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的二維正方形THz光子晶體上/下載濾波器并利用時域有限差分法對其進(jìn)行分析比較，研究結(jié)果表明，三個點缺陷組成的L形諧振腔結(jié)構(gòu)的上/下載濾波器可以同時上/下載三個頻率點，四個點缺陷組成的右T形上/下載濾波器的峰間頻率間隔達(dá)0.342 THz，可以實現(xiàn)較大頻率間隔的雙頻點上/下載濾波。在以上理論分析的基礎(chǔ)上，我們利用現(xiàn)代光刻工藝制備了相應(yīng)的二維THz光子晶體上/下載濾波器，并已取得部分

5、測試結(jié)果。
　　 ⑶THz光子晶體窄帶濾波器：設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的二維正方形THz光子晶體窄帶濾波器并利用時域有限差分法對其進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)垂直于輸入輸出波導(dǎo)的三缺陷窄帶濾波器可以同時對兩個頻率進(jìn)行幅度接近100％的濾波，而且其帶外抑制特性優(yōu)良，該結(jié)構(gòu)可利用于雙頻點的高Q值窄帶濾波。由五個單缺陷形成的左向長T形結(jié)構(gòu)的窄帶濾波器有五個透射峰，其獨特的幅頻特性也可以利用。
　　 ⑷THz電磁超穎材料功能器件方面。利用現(xiàn)代光刻技術(shù)工

6、藝制備了一種圓形和兩種分別在X和Y方向伸展的橢圓形裂環(huán)諧振器，并在太赫茲時域系統(tǒng)進(jìn)行測試，比較了尺寸結(jié)構(gòu)參數(shù)和耦合系數(shù)對幅頻特性的影響。根據(jù)測試結(jié)果提出包含LC諧振、偶極子諧振和第三種諧振模式的改進(jìn)型TL-RLC理論模型使模型與實驗數(shù)據(jù)更為吻合。另外研究了諧振臂和諧振縫隙同時旋轉(zhuǎn)時角度改變對LC諧振和偶極子諧振之間的頻率間隔產(chǎn)生的影響，提出擴(kuò)展LC諧振和偶極子諧振之間的頻率間隔的新方法。旋轉(zhuǎn)角度為0.02°到O.24°或者-O.02°到