一维光子晶体滤波器的设计及性能研究

摘要

光子晶体最本质特征是具有光子带隙，即频率处于光子带隙范围内的光或电磁波在光子晶体中传播是被严格禁止的。光子晶体的性能是由其光子能带结构决定的，而光子能带结构取决于组份材料(介电常数)和空间结构。组成一维光子晶体的组份材料通常是两种不同的介电材料，这两种材料一旦确定，光子晶体的性能就主要靠其结构设计来调节和控制。本论文以实验制备的组份膜的光学常数为依据，研究不同结构光子晶体的光子能带结构。为了获得不同滤波性能的一维光子晶体，着重研究了性能与结构参数之间的关系。
　　 一，采用射频磁控溅射方法在玻璃基片上制备TiO2和Al2O3单层膜，利用椭圆偏振法研究薄膜的光学常数。首先利用椭偏仪测量得到样品的椭偏参数，通过反演计算，拟合得到薄膜光学常数对波长的色散关系，并将反演计算得到的透射谱与实验测试结果进行对比，二者吻合，从而验证了拟合结果的正确性，为结构设计提供了准确的材料光学性能参数。
　　 二，以TiO2和Al2O3为组分材料设计了结构为(HL)mL(HL)n的一维缺陷光子晶体。为了研究该结构的滤波性能并对其优化，利用传输矩阵方法拟合计算了不同结构的光学透射谱。研究结果显示，该种结构光子晶体的光子带隙中央存在一个极窄的透射窗口；通过调整缺陷层前后的光子晶体重复周期、缺陷层厚度和波的入射角可以改变窄带透过窗口的位置和窄带的宽度；经过结构优化，在m=19、n=20、缺陷层光学厚度为387.5nm时，窄带透过窗口的波长在参考波长(1550nm)处，且其半功率带宽小于0.001nm，窗口内的透射率可以接近100％。
　　 三，以TiO2和Al2O3为组分材料设计了结构为(HL)m(κHκL)m的异质结结构一维光子晶体。分别研究了(HL)m的重复周期、周期厚度和入射角对光子带隙的位置、p偏振和s偏振光所产生的影响。同时，在电磁波斜入射的条件下，利用(HL)m与(κHκL)m的p偏振光的能带叠加，设计出在带隙区域内，获得允许p偏振光透过而阻止s偏振光透过的偏振带通滤波器。该滤波器具有膜层较少、小型化和类矩形等特点，制作简单，具有实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2光子晶体的概念及其性质

1.2.1光子晶体的本质特性

1.2.2光子晶体的分类

1.3光子晶体的主要应用

1.4光子晶体的研究背景

1.5本论文主要工作

第二章一维光子晶体理论研究和测量分析

2.1常见理论研究方法

2.2电磁波在周期介质中的传播

2.2.1麦克斯韦波动方程的解

2.2.2布洛赫定理在一维光子晶体中的应用

2.3一维光子晶体传输矩阵的推导

2.3.1传输矩阵的推导

2.3.2光学性能的表征

2.4薄膜厚度和光学参数的测量与分析

2.4.1主要测量方法简介

2.4.2椭圆偏振法的测量原理

2.4.3椭偏参数的测量原理图

2.4.4椭偏参数的反演

2.4.5数值迭代求解

2.5小结

第三章TiO2、Al2O3薄膜的制备及光学性能

3.1引言

3.2溅射镀膜简介

3.3薄膜样品的制备及测试

3.4薄膜光学性能研究

3.5小结

第四章基于一维光子晶体滤波器的研究

4.1引言

4.2超窄带滤波器

4.2.1结构模型

4.2.2结果与分析

4.2.3小结

4.3偏振带通滤波器

4.3.1结构模型

4.3.2单一结构光子晶体的性能

4.3.3偏振带通滤波器设计

4.3.4小结

第五章总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢