光子晶體缺陷中THz波的傳輸條件和規(guī)律研究.pdf

1、太赫茲（Terahertz，THz）波和光子晶體都是近年來科學研究的熱點。波段在微波和紅外線之間的THz波，處于電子學向光子學的過渡區(qū)域，因此具有許多獨特的優(yōu)點，在物體成像、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動通訊等諸多方面具有一定的應(yīng)用潛力，目前已經(jīng)在學術(shù)界引起了普遍關(guān)注和極大興趣。但是由于缺少THz波段低色散和低損耗的器件，導致THz波傳輸損耗嚴重。如果這一問題不解決，就會阻礙THz波的研究和應(yīng)用。
　　 光子晶體是一種介

2、電常數(shù)成周期性分布的介質(zhì)材料，在這種結(jié)構(gòu)中存在著特殊的頻帶，也就是“光子禁帶”，頻率落在禁帶范圍內(nèi)的電磁波是被禁止傳播的。如果在光子禁帶中引入缺陷，則在禁帶中會出現(xiàn)缺陷態(tài)，使得與該缺陷態(tài)波長相對應(yīng)的電磁波可以在其中傳播。光子最體的這一特性使其可以制造多種器件，如光子晶體濾波器、反射器、開關(guān)等，并且可以根據(jù)需要適當?shù)匾肴毕莼蛘吒淖兘Y(jié)構(gòu)，具有一定的可調(diào)節(jié)性。這種光子晶體結(jié)構(gòu)也同樣適用于太赫茲波段，并且在THz波段還具有一定的優(yōu)勢。因為在這

3、個波段中的光子晶體在制作上要比光學波段的容易很多，同時跟微波波段的光子晶體相比，結(jié)構(gòu)上還具有一定的緊湊性，這些也都為制作THz波段的光子晶體器件及其在THz系統(tǒng)中的實際應(yīng)用提供了可行性。
　　 本文從光子晶體的禁帶研究入手，利用平面波展開法計算出THz波段二維和三維光子晶體的禁帶結(jié)構(gòu)。文章中分析了適用于太赫茲波段的光子晶體材料并選擇硅為主要的介質(zhì)材料；研究了圓形介質(zhì)棒半徑、介質(zhì)介電常數(shù)對THz波段二維的三角晶格和四方晶格及其反相

4、結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的禁帶的影響；研究了小球的半徑、介質(zhì)的介電常數(shù)對三維fcc結(jié)構(gòu)和diamond結(jié)構(gòu)光子晶體及其反相結(jié)構(gòu)的完全禁帶的影響。從中得到禁帶形成的一些規(guī)律，為實際的應(yīng)用提供理論依據(jù)。并在此基礎(chǔ)之上，利用時域有限差分法，模擬了不同頻率的THz波在二維直線型、直角型和T字形光波導中的傳播情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，THz波在二維光子波導中的傳輸效果與禁帶的寬度有很大的關(guān)系，也就是說，二維光子晶體產(chǎn)生的禁帶頻率范圍越大，那此時對應(yīng)的THz波在其波導中傳