太赫兹波段光子晶体功能器件的研究

论文摘要

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在0.1THz—10THz(波长3000μm—30μm)范围内的电磁波,太赫兹科学技术是一门综合性很强的前沿学科,近二十多年来,太赫兹技术随着其产生机理、检测技术和应用技术的进步而得到了蓬勃发展。THz技术的应用离不开THz辐射源和THz探测技术的发展,同样也需要THz波各种功能器件的发展。光子晶体做为一种具有光子禁带结构的新型光学及电磁学材料,是由折射率周期变化的介质材料组成的,它能够根据特定的需要进行合理的引入缺陷或改变结构,具有一定的可调节性。这种光子晶体结构同样也适用于太赫兹波段,将光子晶体应用到太赫兹波段是太赫兹技术的热门研究领域之一。本文首先研究了光子晶体的禁带特性及其理论计算方法,并且利用这些方法设计了多种类型的太赫兹波段的光子晶体功能器件,主要包括二维光子晶体波导和光子晶体滤波器两类。其中,研究设计的光子晶体波导的类型有100GHz和225GHz直波导、弯曲波导以及Y形分支波导;光子晶体滤波器主要包括带阻滤波器,超窄带滤波器和选频滤波器。并利用电磁场仿真工具对所有设计的器件进行了数值模拟和结构优化,从而使器件达到最优的传输或滤波品质。研究结果对于太赫兹波段的光子晶体功能器件的开发具有潜在的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 太赫兹科学技术的历史背景
• 1.2 太赫兹波的辐射源和探测技术
• 1.3 太赫兹技术的发展现状、应用领域及太赫兹功能器件
• 1.4 光子晶体概述
• 1.4.1 光子晶体简介
• 1.4.2 光子晶体的特点及应用
• 1.5 本文的研究工作及意义
• 第二章 光子晶体的理论计算方法
• 2.1 光子晶体的Maxwell方程
• 2.2 平面波展开法（PWE法）
• 2.3 时域有限差分法（FDTD方法）
• 2.3.1 Yee氏差分算法
• 2.3.2 FDTD算法的数值稳定条件
• 2.3.3 吸收边界条件
• 2.4 本章小结
• 第三章 太赫兹波段的二维光子晶体波导
• 3.1 光子晶体在太赫兹功能器件研发中的应用
• 3.2 光子晶体的带隙计算
• 3.2.1 光子禁带的求解步骤
• 3.2.2 介电常数比对光子禁带的影响
• 3.2.2.1 介质柱类型光子晶体
• 3.2.2.2 空气柱类型光子晶体
• 3.2.3 填充率对光子禁带的影响
• 3.2.3.1 介质柱类型光子晶体
• 3.2.3.2 空气柱类型光子晶体
• 3.3 光子晶体中的点缺陷和线缺陷
• 3.3.1 点缺陷模式
• 3.3.2 线缺陷模式与光子晶体波导
• 3.3.2.1 线缺陷结构光子晶体的波导特性
• 3.3.2.2 光子晶体波导的特点
• 3.4 100GHz的二维光子晶体波导
• 3.4.1 窄通带波导
• 3.4.1.1 物理模型
• 3.4.1.2 数值模拟及结构优化
• 3.4.2 宽通带波导
• 3.5 225GHz的二维光子晶体波导
• 3.5.1 物理模型
• 3.5.2 数值模拟及结构优化
• 3.6 光子晶体弯曲波导
• 3.6.1 结构模型
• 3.6.2 数值模拟
• 3.7 光子晶体Y形分支波导
• 3.7.1 结构模型及数值模拟
• 3.7.2 参数优化
• 3.8 其它类型的光子晶体波导
• 3.9 本章小结
• 第四章 太赫兹波段的光子晶体滤波器
• 4.1 带阻滤波器
• 4.2 超窄带滤波器
• 4.3 选频滤波器
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果