一维光子晶体全向反射镜和滤波器的设计及特性研究

摘要

光子晶体是由不同折射率或波阻抗的材料通过周期性排列形成的一种人工材料。与高维光子晶体相比，一维光子晶体因其结构简单、容易制备且具有类似于完全光子禁带的全向反射带，在理论和实验上得到了广泛研究，主要集中在一维电介质光子晶体全向反射镜和滤波器的研究上。如今除电介质材料外，越来越多的其他材料用于光子晶体的研究，从而发现了许多新特性，为上述器件的进一步研究提供了新的思路和方法。本文的主要内容是基于提高工作性能同时简化结构的目的，研究一维电介质和磁光子晶体全向反射镜和滤波器的设计及特性，具体研究内容与结果归纳如下：
　　 (1)由于已报道的一维准周期电介质光子晶体全向反射镜的全向反射带比传统的一维周期电介质光子晶体全向反射镜宽很多，但结构却复杂得多，因此本着扩展全向反射带同时简化总体结构的目的，以低阶Thus-Morse准周期光子晶体(Si)Pi(i=1，2)为设计载体并利用十进制遗传算法进行结构优化，得到了一种结构简单的一维低阶准周期电介质光子晶体宽带全向反射镜(S1)6(S2)6(S'1)10，其全向反射带宽为1.508ω0，总厚度为5.2704λ0，总膜层数为56。与已报道的高阶准周期电介质光子晶体宽带全向反射镜相比，新结构具有更宽的全向反射带，而总膜层数、总厚度和无序度均大为降低。为了验证理论设计的可靠性，利用电子束蒸发法制备了该结构，测得的全向反射带较宽，覆盖了光纤通信的全部工作窗口，与理论值吻合较好。
　　 (2)以进一步提高器件工作带宽同时简化结构为目的，将高磁导率的磁性材料和高介电常数的电介质材料交替组成一维电介质-磁光子晶体以增大膜层波阻抗比，并利用十进制遗传算法进行结构优化，得到了一种结构简单的双光子晶体异质结宽带全向反射镜(0.255A，0.255B)5(0.169A，0.066B)8和宽带高精度空间滤波器(0.191A，0.201B)14(0.2878B'，0.2955A’)14。其中全向反射镜的全向反射带宽为1.34ω0，总膜层数为26，总厚度为1.8634λ0。该结构比已报道的四分之一波堆电介质-磁全向反射镜更简单而全向反射带更宽；与上述准周期电介质结构相比，该结构在保证可媲美的全向反射带的同时总体结构大为简化。所得空间滤波器的全向反射带宽为1.496ω0(包含滤波频率)，总膜层数为56，总厚度为5.8435λ0。该结构比已报道的电介质空间滤波器更简单，全向反射带更宽，而且具有高精度的滤波品质。此外利用经过实验测量的低色散、低吸收、轻质的有机高分子磁性材料设计了工作于微波段的宽带高精度空间滤波器(0.199A，0.28B)15(0.2893B'，0.2269A’)15，总膜层数为60，总厚度为0.4244m，全向反射带宽为0.657GHz。
　　 (3)分析了等折射率材料交替组成的一维等折射率光子晶体的禁带带边特性，基于入射角域构造异质结的方法系统分析了该种光子晶体全向反射带的扩展。结果表明，该种光子晶体的禁带随着入射角的增大而逐渐膨胀，有利于全向反射带的扩展；由于禁带带边的特殊性，其全向反射带的扩展实则是子光子晶体高反射区的无重叠无缝拼接，因此并不要求每个参与叠加的子结构具有各自的全向反射带；参与叠加的子结构越多，对材料折射率和波阻抗比的要求越低，从而拓展了材料的可选范围。利用这种等折射率光子晶体的特殊性质，可以设计出纯电介质光子晶体很难实现的新功能光电器件。
　　 (4)基于一维非等折射率光子晶体和等折射率光子晶体丰富的禁带带边特性，利用两个不同光子晶体禁带带边相交叉的方法，设计了四种不同功能的具有宽非传输带的窄带通非空间滤波器。设计结果表明，磁性材料的引入丰富了带边特性，构造异质结的方法扩展了非传输带，因此可以设计出一维电介质光子晶体较难完成的具有特殊功能的结构简单的宽带滤波器。
　　 本文的设计结果在光纤通信领域和微波通信领域有潜在的应用价值，而且对结构简单的宽带器件和特殊功能的宽带滤波器件的进一步研究和应用具有重要的参考价值。