光子晶体太赫兹波器件研究

发布时间：2017-04-30 15:17

  本文关键词：光子晶体太赫兹波器件研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,在电磁波谱上介于毫米波和红外光之间的太赫兹波逐渐成为科学研究的热点。太赫兹波波源以及探测技术的突破性进展使得太赫兹波功能器件得到了大力发展。本文以研究基于光子晶体结构的太赫兹波功能器件为出发点和目标,对光子晶体波导耦合效应,多模干涉效应及自映像效应,以及磁可调材料镥铋石榴石的电磁特性进行了理论分析和研究,先后设计了四个基于太赫兹波光子晶体结构的太赫兹波功能器件,主要成果如下:1.设计了四通道结构的太赫兹波解复用器,器件基于二维光子晶体结构进行设计,研究了光子晶体波导耦合理论,不同入射频率的太赫兹波具有不同的耦合长度,通过引入四个线缺陷光子晶体波导,形成三个定向耦合光子晶体结构,利用相邻光子晶体波导间的定向耦合作用,实现对四个不同入射频率f_1=0.524THz,f_2=0.537THz,f_3=0.560THz,f_4=0.585THz的太赫兹波经不同输出端口分离输出,输出效率分别可达97.1%、93.7%、93.0%、91.2%,该器件尺寸极小(6.8×10.6mm2),插入损耗低,串扰小,尺寸紧凑。本节论文已发表在2015年Optics Communications的第350卷248-251页(SCI)。2.设计了多通道可调的太赫兹波滤波器,器件基于二维光子晶体结构及磁可调材料镥铋石榴石单晶(LuBiIG)进行设计,分析了磁可调材料镥铋石榴石单晶(LuBiIG)的磁可调电磁特性,引入三个线缺陷光子晶体波导,形成两个镥铋石榴石(LuBiIG)光子晶体结构,利用相邻光子晶体波导间的定向耦合作用实现对三个不同入射频率f_1=0.528,f_2=0.612,f_3=0.663的太赫兹波经不同输出端口分离输出,输出效率分别达96.3%、95.1%、95.3%,并通过改变对两个镥铋石榴石(LuBiIG)光子晶体结构施加的外加磁场强度来改变介质柱折射率从而实现对不同入射频率的太赫兹波实现变换通道输出的功能,从而实现可调性能,该器件尺寸极小(3.8mm×10mm),插入损耗低,消光比高,尺寸紧凑。本节论文已发表在2015年IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY的第4期第5卷551-555页(SCI)。3.设计了多通道可调结构的太赫兹波功分器,器件基于二维光子晶体结构及磁可调材料镥铋石榴石单晶(LuBi IG)进行设计,分析了表面波模式光子晶体波导的特性,利用时域有限差分法对器件进行了仿真验证,引入一个输入光子晶体波导,一个1×3光子晶体波导以及三个1×2的T形光子晶体表面波模式波导组成,器件有六个输出端口。利用磁可调材料镥铋石榴石单晶(LuBiIG)的磁可调性能,在未施加外加磁场时,实现一分六的功分功能,各通道输出功率达16.2%,总输出功率达97.2%。当施加外加磁场时,实现一分四的功分功能,各通道输出功率达24.2%,总输出功率为96.8%。器件尺寸为22a×30a(4.4×6.0mm2),相比于传统太赫兹波光子晶体功分器,本设计采用了表面波模式光子晶体波导进行设计,缩减了近一半的尺寸,结构紧凑,且器件并具备可调性能,可变换功分倍数。本节论文已发表在2015年Optics Communications的第356卷616-619页(SCI)。4.设计了光子晶体的太赫兹波偏振分束器,根据光子晶体波导多模干涉及自映像效应,对光子晶体和传统硅波导的多模干涉耦合结构相结合进行设计,通过对光子晶体层的参数设计使透射的TE波及反射的TM波分别在两个端口成像输出,实现偏振分束性能。TE和TM波的最小消光比分别为18.36dB和13.35dB,器件尺寸为4.825×0.4mm。本设计在传统硅波导中嵌入光子晶体,整个器件的长度不需要满足耦合长度的整数倍这一要求,显著缩小了分束器的尺寸大小,器件结构极为紧凑,便于加工制作,且输入输出波导采用传统硅波导,极易与其他器件实现集成。本节论文已发表在2014年Optoelectronics Letters的第10卷第5期325-328页(EI)。
【关键词】：太赫兹波 光子晶体 波导 可调器件
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN713;TN626
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 1 绪论16-23
• 1.1 太赫兹波简介16-18
• 1.1.1 太赫兹波特性17
• 1.1.2 太赫兹波应用17-18
• 1.2 太赫兹波器件简介18-21
• 1.2.1 光子晶体太赫兹波器件研究进展19-21
• 1.3 本文主要研究内容及章节安排21-23
• 2 光子晶体的计算分析方法及理论研究23-29
• 2.1 平面波展开法原理及公式23-24
• 2.2 时域有限差分法24-28
• 2.2.1 时域有限差分法原理及基本公式24-27
• 2.2.2 吸收边界条件及激励源27-28
• 2.3 小结28-29
• 3 光子晶体太赫兹波器件研究设计29-58
• 3.1 四通道结构的太赫兹波解复用器设计29-35
• 3.1.1 器件结构模型29
• 3.1.2 理论分析29-32
• 3.1.3 数值仿真及数据分析32-34
• 3.1.4 小结34-35
• 3.2 多通道可调结构的太赫兹波滤波器设计35-46
• 3.2.1 器件结构模型35
• 3.2.2 理论分析35-38
• 3.2.3 数值仿真及数据分析38-44
• 3.2.4 小结44-46
• 3.3 多通道可调结构的太赫兹波功分器设计46-52
• 3.3.1 器件结构模型46
• 3.3.2 理论分析46-49
• 3.3.3 数值仿真及数据分析49-50
• 3.3.4 小结50-52
• 3.4 光子晶体太赫兹波偏振分束器设计52-58
• 3.4.1 器件结构模型52-53
• 3.4.2 理论分析53
• 3.4.3 数值仿真及数据分析53-57
• 3.4.4 小结57-58
• 4 总结58-60
• 参考文献60-64
• 作者简历64-65

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本文编号：337114