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特殊光子晶体特性分析与应用研究

亓丽梅  
【摘要】: 光子晶体是由两种或两种以上折射率周期变化的材料所构成的人工晶体。目前,有关光子晶体的理论已经比较成熟,基于光子晶体的器件也相继被提出。但是一些特殊类型光子晶体的研究有待进一步深化和完善,因为它们具有一些传统光子晶体所不具有的特性,能够进一步满足人们的实际需求,具有非常重要的应用前景。 本论文对具有良好应用前景的三种特殊类型光子晶体:具有无序度的一维金属介质光子晶体(MDPC)、磁化等离子体介质光子晶体(PDPC)以及二维菱形晶格光子晶体(RLPC)展开了研究;根据实际应用需求,研究了140GHz频段的介质打孔和金属柱结构的光子晶体滤波器的特性,设计加工了金属柱光子晶体滤波器,并进行了实验测试。 论文的主要工作及创新点如下: (1)提出在一维MDPC中引入无序度,研究了无序度对其带隙特性的影响。结果表明:只有选取适当的无序度才能有效展宽光子带隙宽度,无序度过大,会加剧光子局域的离散化,导致连续禁带被分裂成一系列小禁带;周期数越多,则形成的光子带隙越宽;随着入射角度的增加,TE和TM极化波的带隙宽度均减小。 (2)全面深入地研究了磁化PDPC中电磁波的传输、色散和带隙特性。采用传输矩阵法研究了任意角度入射、具有外加磁场的一维PDPC TE极化波的特性,数值计算结果表明,改变外加磁场可以有效控制TE极化波的带隙位置和宽度,其带隙宽度随着入射角度的增加而展宽。采用改进PWM法得到了具有外加磁场的二维PDPC的线性本征方程,导出了具有任意外加磁场的磁化等离子体的FDTD辅助方程,采用FDTD方法研究了波矢方向任意时二维磁化PDPC TE极化波的色散特性。对于TM极化波,随着等离子体密度和介质介电常数的增加,带隙宽度增大。对于TE极化波,首次观察到色散曲线在外加磁场作用下出现局部带隙和两个平带区域,上下平带的上频率点分别对应于等离子体的右旋和左旋截止频率;随着外加磁场的变化,局部带隙及平带的位置都发生移动,并且存在一个最佳的外加磁场使局部带隙宽度最大;提高介质的介电常数,色散曲线中出现全向带隙;当波矢方向任意时,随着z向波矢的增加,带隙的中心频率不断上移,带隙宽度呈现减小的趋势。(3)研究了具有任意晶格夹角的二维RLPC的带隙特性和传输特性。结果表明:在由介质硅一空气孔构建的二维RLPC中,当晶格夹角大于40°时,TE极化波的第一条带隙总是存在,改变填充率,在不同晶格夹角时都存在一个最大带隙宽度;而TM极化波的第一条带隙宽度相对较小。以70°晶格夹角为例,在具有缺陷结构的二维介质柱RLPC中,随着点缺陷圆柱填充率的增大,TM极化波对应的缺陷模频率降低;当存在线缺陷时,FDTD模拟结果表明对应于缺陷模频率的电磁波能够较好地沿线缺陷传播,从而表明RLPC在构建任意拐角光子晶体波导方面具有重要的应用前景。 (4)结合实际需求,采用HFSS软件模拟研究了介质打孔和金属柱结构的两种类型光子晶体滤波器的滤波特性,在此基础上,设计加工了中心频率为142.5GHz,3dB带宽为5.83GHz的金属光子晶体滤波器,并对其分别在75GHz~110GHz和100GHz~150GHz两个频段进行了实验测试,实验结果与模拟结果基本一致。


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