一维铁电陶瓷光子晶体的设计与制备

摘要

铁电陶瓷基光子晶体具有折射率高，在外场激励作用下发生铁电相变，从而改变光子晶体的折射率比，进而调节光子晶体带隙的特点，可用于研究以带隙可调光子晶体为基础的光开关、光调制器、光滤波器等，具有广泛的应用前景。目前有许多方法用于制备一维陶瓷基光子晶体，溶胶凝胶法（Sol-Gel）和磁控溅射是较为成熟且经济的铁电薄膜制备方法，适合于制备多层膜结构光子晶体。本文对铁电陶瓷基光子晶体进行仿真设计，根据仿真结果，分别采用Sol-Gel法和射频磁控溅射法制备一维多层膜铁电光子晶体，并分别对其结果进行讨论。
　　首先，由于PLZT和ZnO两种材料的折射率差较大，热膨胀系数相近，热处理温度较接近，故本文主要选取PLZT和ZnO两种材料制备一维多层膜铁电光子晶体。同时选取高电光特性的BST材料和ZnO材料制备一维多层膜铁电光子晶体与其进行对比研究。采用OptiFDTD仿真软件对PLZT/ZnO和BST/ZnO一维多层膜铁电光子晶体进行光谱性能的模拟。设定的禁带中心波长为光通信波段1550nm，周期数为5，PLZT、BST、ZnO分别对应的厚度为155nm、176nm、204nm，结果表明：PLZT/ZnO和BST/ZnO一维多层膜铁电光子晶体禁带宽度分别为156nm和95nm。影响多层膜一维铁电光子晶体性能的主要因素是两种材料的折射率差，折射率之差越大，一维铁电光子晶体禁带越宽，在禁带中心处对光的抑制作用越强。
　　其次，利用上述仿真结果，采用Sol-Gel法制备一维多层膜PLZT/ZnO铁电光子晶体，Sol-Gel法制备PLZT薄膜、ZnO薄膜分别对应的厚度为155nm、204nm，其对应的烧结温度较为相近分别为650℃、750℃，周期数为5。结果表明：制备的一维多层膜PLZT/ZnO铁电光子晶体禁带中心位于～1500nm，在禁带中心处光透过率为54％，可见在波谷处对光存在一定的抑制作用，但光子晶体禁带特性并不十分明显，主要由于Sol-Gel法制备的薄膜表面粗糙度较大。
　　最后，采用射频磁控溅射法制备PLZT/ZnO和BST/ZnO一维多层膜铁电光子晶体，周期数为5，PLZT、BST、ZnO分别对应的厚度为155nm、176nm、204nm。且PLZT/ZnO和BST/ZnO多层膜对应的烧结温度均为700℃。结果表明：PLZT/ZnO和BST/ZnO一维多层膜铁电光子晶体禁带中心位置分别位于～1490nm和～1400nm处，且禁带中心处光的透过率分别为49％和52％。与FDTD仿真结果相仿，折射率相差较大的一维PLZT/ZnO光子晶体禁带较宽，且对光的抑制作用较强。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 铁电光子晶体的研究现状

1.3 铁电光子晶体的制备方法

1.4 铁电光子晶体的典型应用

1.5 本文课题的提出及研究内容

2 铁电光子晶体FDTD仿真设计

2.1 光子晶体的理论研究方法

2.2 OptiFDTD仿真软件的简介

2.3 铁电材料的选取

2.4 一维铁电光子晶体的仿真

2.5 本章小结

3 Sol-Gel法制备一维多层膜铁电光子晶体

3.1 Sol-Gel法制备PLZT铁电薄膜

3.2 Sol-Gel法制备ZnO铁电薄膜

3.3 Sol-Gel法制备一维多层膜铁电光子晶体

3.4 结果讨论与分析

3.5 本章小结

4 射频磁控溅射法制备一维多层膜铁电光子晶体

4.1 磁控溅射法制备单层薄膜

4.2 磁控溅射法制备一维多层膜PLZT/ZnO光子晶体

4.3 磁控溅射法制备一维多层膜BST/ZnO光子晶体

4.4 一维多层膜铁电光子晶体性能对比分析

4.5 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表论文