基于光子晶體的窄帶濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析.pdf

1、濾波器是一種在通信領(lǐng)域中可用來消除干擾的器件，能夠?qū)μ囟ǖ念l點(diǎn)或者該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效地濾除。目前，市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是由晶體諧振器組成的晶體濾波器，與早期的LC諧振回路構(gòu)成的濾波器相比，雖然晶體濾波器在頻率選擇性、頻率穩(wěn)定性以及損耗等方面都得到了優(yōu)越發(fā)展，但是仍然不能滿足未來對(duì)高集成度高速率的信號(hào)處理的要求。針對(duì)這些不足，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于光子晶體的濾波器結(jié)構(gòu)。光子晶體最主要的特性是具有光子晶體帶隙，在光子晶體中引入點(diǎn)缺陷或線缺陷的時(shí)候

2、，缺陷兩側(cè)的光子晶體類似于反射墻，使具有缺陷的光子晶體具有低損耗，高透射率等優(yōu)點(diǎn)。此外，光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，體積小，速度快，光子晶體濾波器的發(fā)展前景可觀。
　　本文運(yùn)用COMSOL Multiphysics4.3b軟件分別設(shè)計(jì)并研究了基于二維光子晶體的用于1.5um紅外光通信的窄帶濾波器，尺寸為8um*8um，采用正方格子以及三角格子兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)均是以空氣中介質(zhì)柱的形式呈現(xiàn)，介質(zhì)柱采用介電常數(shù)為11.4的硅材料。本文以TM

3、模式的電磁波為研究對(duì)象，首先利用COMSOL Multiphysics4.3b內(nèi)置的S參數(shù)分析了兩種晶格結(jié)構(gòu)的完美光子晶體的反射與透射特性，確定了完美光子晶體的帶隙范圍，并詳細(xì)研究了晶格常數(shù)，介質(zhì)柱半徑，介電常數(shù)等各種結(jié)構(gòu)參數(shù)值的改變對(duì)帶隙范圍的影響，對(duì)上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，將優(yōu)化結(jié)果用于后續(xù)的窄帶濾波器的設(shè)計(jì)。窄帶濾波器由微腔和波導(dǎo)兩部分構(gòu)成。微腔是在完美光子晶體結(jié)構(gòu)的中心位置去掉一個(gè)Si介質(zhì)柱引入一個(gè)點(diǎn)缺陷而形成的；波導(dǎo)則是分別在

4、微腔的右上方以及左下方同時(shí)引入兩個(gè)線缺陷而形成的，通過微腔與波導(dǎo)之間的耦合作用從而實(shí)現(xiàn)電磁波從入口到出口的濾波過程。微腔和波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如晶格常數(shù)、Si介質(zhì)柱半徑、波導(dǎo)長(zhǎng)度（即反射器中Si介質(zhì)柱的數(shù)量）等對(duì)窄帶濾波器的共振頻率、透射系數(shù)和品質(zhì)因子等特性都有影響，因此，論文中分別對(duì)微腔和波導(dǎo)的上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。本文設(shè)計(jì)的目的是用于1.5um紅外光通信，窄帶濾波器的共振頻率應(yīng)為2e14Hz。對(duì)于基于正方格子光子晶體的窄帶濾波器，當(dāng)共振

5、頻率為2e14Hz時(shí)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：晶格常數(shù)a'1=0.6384um，介質(zhì)柱半徑r1'=0.1159*a'1，介電常數(shù)ε'1=11.4，反射器中介質(zhì)柱的數(shù)量N1=7，反射器中介質(zhì)柱的半徑rr1=1.5*r1'，濾波器的尺寸S1=13*13（13為濾波器在x、y方向上介質(zhì)柱的個(gè)數(shù)），其透射系數(shù)為0.953，品質(zhì)因子為1330；對(duì)于基于三角格子光子晶體的窄帶濾波器，當(dāng)共振頻率為2e14Hz時(shí)，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：晶格常數(shù)a'2=0

6、.6518um，介質(zhì)柱半徑'2r=0.1316*a'2，介電常數(shù)ε'2=11.4，反射器中介質(zhì)柱的數(shù)量N2=6，反射器中介質(zhì)柱的半徑rr2=0.6*r'2，濾波器的尺寸S2=11*12*13（11、12分別為三角格子濾波器中偶數(shù)行、奇數(shù)行中介質(zhì)柱的數(shù)量，13為y方向上介質(zhì)柱的數(shù)量），其透射系數(shù)為0.87，品質(zhì)因子為1428。本文設(shè)計(jì)的窄帶濾波器共振頻率在2e14Hz處，尺寸在微米量級(jí)，易于集成，為紅外光通信以及大型光學(xué)集成電路的研究提供