特殊光子晶體特性分析與應用研究.pdf

1、光子晶體是由兩種或兩種以上折射率周期變化的材料所構成的人工晶體。目前，有關光子晶體的理論已經比較成熟，基于光子晶體的器件也相繼被提出。但是一些特殊類型光子晶體的研究有待進一步深化和完善，因為它們具有一些傳統光子晶體所不具有的特性，能夠進一步滿足人們的實際需求，具有非常重要的應用前景。
　　 本論文對具有良好應用前景的三種特殊類型光子晶體：具有無序度的一維金屬介質光子晶體(MDPC)、磁化等離子體介質光子晶體(PDPC)以及二維菱

2、形晶格光子晶體(RLPC)展開了研究；根據實際應用需求，研究了140GHz頻段的介質打孔和金屬柱結構的光子晶體濾波器的特性，設計加工了金屬柱光子晶體濾波器，并進行了實驗測試。
　　 論文的主要工作及創(chuàng)新點如下：
　　 (1)提出在一維MDPC中引入無序度，研究了無序度對其帶隙特性的影響。結果表明：只有選取適當的無序度才能有效展寬光子帶隙寬度，無序度過大，會加劇光子局域的離散化，導致連續(xù)禁帶被分裂成一系列小禁帶；周期數越多

3、，則形成的光子帶隙越寬；隨著入射角度的增加，TE和TM極化波的帶隙寬度均減小。
　　 (2)全面深入地研究了磁化PDPC中電磁波的傳輸、色散和帶隙特性。采用傳輸矩陣法研究了任意角度入射、具有外加磁場的一維PDPCTE極化波的特性，數值計算結果表明，改變外加磁場可以有效控制TE極化波的帶隙位置和寬度，其帶隙寬度隨著入射角度的增加而展寬。采用改進PWM法得到了具有外加磁場的二維PDPC的線性本征方程，導出了具有任意外加磁場的磁化等離

4、子體的FDTD輔助方程，采用FDTD方法研究了波矢方向任意時二維磁化PDPC TE極化波的色散特性。對于TM極化波，隨著等離子體密度和介質介電常數的增加，帶隙寬度增大。對于TE極化波，首次觀察到色散曲線在外加磁場作用下出現局部帶隙和兩個平帶區(qū)域，上下平帶的上頻率點分別對應于等離子體的右旋和左旋截止頻率；隨著外加磁場的變化，局部帶隙及平帶的位置都發(fā)生移動，并且存在一個最佳的外加磁場使局部帶隙寬度最大；提高介質的介電常數，色散曲線中出現全向

5、帶隙；當波矢方向任意時，隨著z向波矢的增加，帶隙的中心頻率不斷上移，帶隙寬度呈現減小的趨勢。
　　 (3)研究了具有任意晶格夾角的二維RLPC的帶隙特性和傳輸特性。結果表明：在由介質硅—空氣孔構建的二維RLPC中，當晶格夾角大于40°時，TE極化波的第一條帶隙總是存在，改變填充率，在不同晶格夾角時都存在一個最大帶隙寬度；而TM極化波的第一條帶隙寬度相對較小。以70°晶格夾角為例，在具有缺陷結構的二維介質柱RLPC中，隨著點缺陷圓

6、柱填充率的增大，TM極化波對應的缺陷模頻率降低；當存在線缺陷時，FDTD模擬結果表明對應于缺陷模頻率的電磁波能夠較好地沿線缺陷傳播，從而表明RLPC在構建任意拐角光子晶體波導方面具有重要的應用前景。
　　 (4)結合實際需求，采用HFSS軟件模擬研究了介質打孔和金屬柱結構的兩種類型光子晶體濾波器的濾波特性，在此基礎上，設計加工了中心頻率為142.5GHz，3dB帶寬為5.83GHz的金屬光子晶體濾波器，并對其分別在75GHz～1