基于光子晶体的窄带滤波器结构设计与性能分析

发布时间：2018-11-09 18:04

【摘要】：滤波器是一种在通信领域中可用来消除干扰的器件,能够对特定的频点或者该频点以外的频率进行有效地滤除。目前,市场上应用最多的是由晶体谐振器组成的晶体滤波器,与早期的LC谐振回路构成的滤波器相比,虽然晶体滤波器在频率选择性、频率稳定性以及损耗等方面都得到了优越发展,但是仍然不能满足未来对高集成度高速率的信号处理的要求。针对这些不足,我们设计了基于光子晶体的滤波器结构。光子晶体最主要的特性是具有光子晶体带隙,在光子晶体中引入点缺陷或线缺陷的时候,缺陷两侧的光子晶体类似于反射墙,使具有缺陷的光子晶体具有低损耗,高透射率等优点。此外,光子晶体结构设计灵活,体积小,速度快,光子晶体滤波器的发展前景可观。本文运用COMSOL Multiphysics4.3b软件分别设计并研究了基于二维光子晶体的用于1.5um红外光通信的窄带滤波器,尺寸为8um*8um,采用正方格子以及三角格子两种结构,两种结构均是以空气中介质柱的形式呈现,介质柱采用介电常数为11.4的硅材料。本文以TM模式的电磁波为研究对象,首先利用COMSOL Multiphysics4.3b内置的S参数分析了两种晶格结构的完美光子晶体的反射与透射特性,确定了完美光子晶体的带隙范围,并详细研究了晶格常数,介质柱半径,介电常数等各种结构参数值的改变对带隙范围的影响,对上述结构参数进行了优化,将优化结果用于后续的窄带滤波器的设计。窄带滤波器由微腔和波导两部分构成。微腔是在完美光子晶体结构的中心位置去掉一个Si介质柱引入一个点缺陷而形成的；波导则是分别在微腔的右上方以及左下方同时引入两个线缺陷而形成的,通过微腔与波导之间的耦合作用从而实现电磁波从入口到出口的滤波过程。微腔和波导的结构参数如晶格常数、Si介质柱半径、波导长度(即反射器中Si介质柱的数量)等对窄带滤波器的共振频率、透射系数和品质因子等特性都有影响,因此,论文中分别对微腔和波导的上述结构参数进行了优化。本文设计的目的是用于1.5um红外光通信,窄带滤波器的共振频率应为2e14Hz。对于基于正方格子光子晶体的窄带滤波器,当共振频率为2e14Hz时,优化的结构参数分别为：晶格常数a1'=0.6384um,介质柱半径r1'=0.1159*a1',介电常数ε1'=11.4,反射器中介质柱的数量N1=7,反射器中介质柱的半径rr1=1.5*r1',滤波器的尺寸S1=13*13(13为滤波器在x、y方向上介质柱的个数),其透射系数为0.953,品质因子为1330；对于基于三角格子光子晶体的窄带滤波器,当共振频率为2e14Hz时,优化的结构参数分别为：晶格常数a2'=0.6518um,介质柱半径r2'=0.1316*a2',介电常数ε2'=11.4,反射器中介质柱的数量N2=6,反射器中介质柱的半径rr2=0.6*r2',滤波器的尺寸S2=11*12*13(11、12分别为三角格子滤波器中偶数行、奇数行中介质柱的数量,13为v方向上介质柱的数量),其透射系数为0.87,品质因子为1428。本文设计的窄带滤波器共振频率在2e14Hz处,尺寸在微米量级,易于集成,为红外光通信以及大型光学集成电路的研究提供了一定的理论依据。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713

【相似文献】