太赫兹波段二维光子晶体传输器的研究

论文摘要

太赫兹(Terahertz, THz)波是指频率在100GHz~10000GHz范围的电磁波,它位于微波与红外线之间。太赫兹波具有其独特的优点,如太赫兹谱包含丰富的物理化学信息,以及太赫兹脉冲具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等特点,在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等诸多方面具有一定的应用潜力。目前对太赫兹波的研究突飞猛进,相继出现了太赫兹发射器、探测器。然而在大多数的实验平台中,太赫兹波是在自由空间中传播的,致使在某种程度上难以对其进行控制和引导。光子晶体是介电常数成周期性分布的一种介质材料,周期为光波长量级。在光子晶体结构中存在着特殊的频带,在这些频带中电磁波是被禁止传播的。如果在光子晶体中引入缺陷,则在禁带中会出现缺陷态,使得与该缺陷态波长对应的电磁波可以在其中传播。光子晶体的这一特性使其可以制造多种器件,如光子晶体滤波器、反射器、开关等,并且可以根据需要适当地引入缺陷或改变结构,具有一定的可调节性。这种光子晶体结构也同样适用于太赫兹波段,并且在太赫兹波段具有一定的优势,因为太赫兹波段的光子晶体结构比光学波段的光子晶体结构在制作上容易的多,同时跟微波波段的光子晶体相比,结构具有一定的紧凑性,因此研究太赫兹波段的光子晶体材料,并设计仿真太赫兹光子晶体传输器,分析它们的性能,具有较大的意义,为太赫兹技术的应用提供一个有利的基础。本论文从光子晶体带隙特点研究入手,采用平面波展开法推导二维光子晶体中电磁波传播主方程。研究了填充率、介质介电常数对太赫兹波段正三角晶格和正方晶格二维光子晶体带隙的影响,分析了几种适用于太赫兹波段的光子晶体材料并选择硅和氧化铝为材料,以E极化波为例,发现填充率为0.17时的正方晶格光子晶体和填充率为0.12时的三角晶格光子晶体具有较佳的带隙结构,利用这两种结构设计了太赫兹波段光子晶体直波导和45度、60度、90度的弯波导以及T型和Y型波导,探讨缺陷对波导传输性能的影响,最后得到较好的传输结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 太赫兹简述
• 1.1.1 太赫兹波的特性
• 1.1.2 太赫兹技术的应用
• 1.1.3 太赫兹辐射源
• 1.1.4 太赫兹辐射的探测
• 1.1.5 太赫兹波的传输
• 1.2 光子晶体简介
• 1.2.1 光子晶体的概念
• 1.2.2 光子晶体的特征
• 1.2.3 光子晶体应用
• 1.2.4 光子晶体研究现状
• 1.3 课题工作安排
• 第二章 光子晶体理论研究
• 2.1 光子晶体理论研究方法简介
• 2.2 平面波展开法
• 2.2.1 光子晶体基本方程
• 2.2.2 平面波展开
• 2.2.3 介电常数展开
• 2.2.3.1 圆形介质柱
• 2.2.3.2 长方形介质柱
• 2.2.4 平面波展开法小结
• 2.3 电磁波本征值问题的标度特征
• 2.4 本章小节
• 第三章 太赫兹波段二维光子晶体带隙特性研究
• 3.1 光子晶体带隙计算
• 3.2 影响二维光子晶体带隙结构的若干因素探究
• 3.2.1 介质介电常数对带隙的影响以及材料的选择
• 3.2.1.1 材料对带隙的影响
• 3.2.1.2 太赫兹波段光子晶体材料选择
• 3.2.2 填充率对带隙的影响
• 第四章 太赫兹波段二维光子晶体传输器仿真
• 4.1 太赫兹波段二维光子晶体直波导
• 4.1.1 正方晶格二维光子晶体结构选择和带隙验证
• 4.1.2 正方晶格二维光子晶体直波导研究
• 4.1.3 三角晶格二维光子晶体直波导研究
• 4.2 太赫兹波段二维光子晶体弯波导
• 4.3 太赫兹波段二维光子晶体窄波导
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果