（光学专业论文）一维液晶光子晶体滤波器的研究.pdf

哈尔滨工稃大学硕十研究生学位论文 摘要 随着光纤通信技术的发展，密集波分复用( d w d m ) 逐渐成为光传输系 统中的关键的技术。为适应d w d m 的全面发展，减少通信中的光电转换环节， 人们开始研究实用化的全光通信网络，而可调谐滤波器是全光通信中不可缺 少的器件。因此对可调谐滤波器的要求也越来越高要求具有稳定精确的波 长，并且体积小，易于集成和低损耗等特性。 光子晶体具有结构简单、可靠性好、便于集成和控制性强等优点，并且 当光子晶体原有的周期性受到破坏时，可以在禁带中引入一个缺陷态，与缺 陷态频率对应的光子将被局域在缺陷的位置，这为制作可调谐光滤波器提供 了技术基础。目前，通过在光子晶体中引入缺陷来实现对光信号的滤波技术 越来越引起人们的关注。液晶是一种各向异性光学材料，其电控双折射特性 使液晶的双折射率对外界参量( 电磁场、温度、压力) 变化很敏感，基于这 些特性，以液晶作为光子晶体缺陷的可调谐滤波器，具有成本低、功耗低、 调谐范围大、调谐精度高、重复性能好，可实时控制等优点。因此，对液晶 光子晶体滤波器的研究有着重要的意义。 向列相液晶较胆甾相和近晶相液晶来说，比较容易获得而且其应用技术 也比较成熟，具有较大的介电各向异性和折射率，极易受外界作用的电场、 磁场和温度的影响，因此是很好的滤波器调谐材料。f i n k 等人从理论和实验 上指出一维光子晶体可能具有全方位的三维禁带结构，一维光子晶体材料可 能制备出由二、三维光子晶体材料制作的器件，即一维光子晶体较二维、三 维光子晶体在结构上更为简单，并且易于引入缺陷。因此，本文主要研究的 是以向列相液晶为缺陷的一维光子晶体滤波器的滤波特性。 在理论方面，运用传输矩阵法给出了液晶光子晶体滤波器的透过率公式， 并通过m a t l a b 软件数值模拟了液晶光子晶体滤波器的滤波特性并对其进行 分析：当液晶缺陷层的厚度逐渐增加时，透射峰的位置随着缺陷层厚度呈线 性增加：随着液晶缺陷层电压的增加，透射峰的波长发生蓝移。 哈尔滨工程大学硕士研究生学位论文 在实验方面，制备了液晶光子晶体滤波器，其有效面积为5 m m x 5 m m ， 并分别用分光光度计和综合测试仪对其透射谱和响应时间进行测试，得到了 液晶缺陷层在不同电压下的透射谱和液晶的响应时间。当该滤波器的电压范 围在o v i o v 内时，透射峰的相对透过率变化在3 7 巧5 之间，禁带宽度近 4 0 0 h m ，调谐范围约5 0 n m ，透射峰的半高宽为1 8 r i m 。器件的上升时间为 1 5 m s ，下降时间为6 5 m s 。 除此之外，由于液晶分子具有双折射特性，所以传统液晶光子晶体滤波 器的使用不可避免的伴随着偏振片的使用，即偏振片配合液晶的取向方向使 用。在一些非偏振光的应用中，偏振片的使用会使得光能量减少。本文给出 了非偏振光下的透射谱，详细分析了器件的偏振敏感特性，提出并设计了一 种偏振非敏感型液晶光子晶体。双液晶缺陷层的设计起到了对偏振光相互补 偿的作用，使得禁带中原本两个透射峰并为了一个透射峰，加强了光强度， 增强了滤波性能。 关键词：液晶；光子晶体；可调谐滤波器；缺陷层 哈尔滨工程大学硕十研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rc o m m u n i c a t i o n ，d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x ( d w d m ) h a sg r a d u a l l yb e c o m eak e yt e c h n o l o g yi no p t i c a l t r a n s m i s s i o ns y s t e m i no r d e rt oa d a p tt ot h eo v e r a l ld e v e l o p m e n to fd w d ma n d c u td o w nt h ep h o t o e l e c t r i cd e v i c e si nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，n o wr e s e a r c h e r sa r e r e s e a r c h i n gt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fa l l - o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n d t h et u n a b l eo p t i c a lf i l t e ri s i n d i s p e n s a b l e t h e r e f o r e ，h i g h e rr e q u i r e m e n t s a r e e x p e c t e d i nt u n a b l ef i l t e r s o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss t a b l ea n d p r e c i s e w a v e l e n g t h ，s m a l lb u l k ，e a s i l yi n t e g r a t e da n d l o wp o w e ra n ds oo n p h o t o n i cc r y s t a lh a st h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r e ，h i 。g hr e l i a b i l i t ya n d c o n t r o l ，e a s yi n t e g r a t i o n w h e nt h eo r i g i n a lp e r i o d i c i t yo fp h o t o n i cc r y s t a l i s d a m a g e d ，ad e f e c ts t a t ec a nb ei n t r o d u c e dt ot h eb a n dg a p ，a n dt h ep h o t o n sw h i c h a r ec o r r e s p o n d i n gt ot h ef r e q u e n c yo fd e f e c ts t a t ew i l lb el o c a l i z e di nt h ed e f e c t l o c a t i o n t h i sp r o v i d e sat e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rm a k i n gt u n a b l eo p t i c a lf i l t e r s a tp r e s e n t ，i n t r o d u c i n gd e f e c t si n t op h o t o n i cc r y s t a l st oa c h i e v el i g h ts i g n a l s f i l t e r i n gt e c h n i q u ea t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n l i q u i dc r y s t a l ( l c ) i sak i n d o fa n i s o t r o p i co p t i c a lm a t e r i a l ，w h o s ee l e c t r i c - c o n t r o lb i r e f r i n g e n c em a k e st h e b i r e f r i n g e n c e o fl i q u i d c r y s t a l b ev e r ys e n s i t i v et ot h e c h a n g e so fe x t e r n a l p a r a m e t e r s ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e ) ，b a s e do nt h e s e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep h o t o n i cc r y s t a lt u n a b l ef i l t e ri n f i l l e dw i t hl i q u i dc r y s t a la s d e f e c t sh a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o s t ，l o wp o w e r ，w i d et u n a b l er a n g e ，h i g h t u n a b l ep r e c i s i o n ，h i g hr e p e a t a b i l i t ya n dr e a l t i m ec o n t r o la n ds oo n t h u s ，i th a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h ep h o t o n i cc r y s t a lf i l t e ri n f i l l e dw i t hl i q u i d c r y s t a l c o m p a r e d w i t hc h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a la n ds m e c t i cl i q u i d c r y s t a l ， n e m a t i cl i q u i dc r y s t a li se a s i e rt ob eo b t a i n e da n di t sa p p l i c a t i o ni sr e l a t i v e l y m a t u r e i th a sal a r g e rd i e l e c t r i ca n i s o t r o p ya n dr e f r a c t i v ei n d e x ，a n di se a s i e r 哈尔滨下稗大学硕十研究生学位论文 i n f l u e n c e db ye x t e r n a le l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l da n dt e m p e r a t u r e ，t h e r e f o r e ，i t i sav e r yg o o dt u n a b l em a t e r i a lf o r f i l t e r f i n kh a sb e e n p r o p o s e d b o t hi n t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l t h a to n e - d i m e n s i o n p h o t o n i c c r y s t a l h a s o m n i d i r e c t i o n a lt h r e e d i m e n s i o n a lb a n dg a ps t r u c t u r e ，a n d1 dp h o t o n i cc r y s t a l m a t e r i a li sp o s s i b l et op r e p a r et h ed e v i c ew h i c hi s p r e p a r e db y2 da n d3 d p h o t o n i cc r y s t a l ，i ti s t h a t1 dp h o t o n i cc r y s t a li sm o r es i m p l yi ns t r u c t u r ea n d e a s i e rt oi n t r o d u c ed e f e c t st h a n2 da n d3 dp h o t o n i cc r y s t a l t h u s ，t h i sp a p e ri s m a i n l y a b o u tt h e f i l t e r i n gp r o p e r t i e s o f1 dp h o t o n i cc r y s t a lf i l t e rw h i c hi s i n f i l t r a t e dw i t hn e m a t i cl i q u i dc r y s t a la sd e f e c t i nt h e o r y ，w eg i v eo u tt h e | t r a n s m i t t a n c ef o r m u l ao fl i q u i dc r y s t a lp h o t o n i c c r y s t a lf i l t e rb yt r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ，a n ds i m u l a t et h ef i l t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef i l t e rw i t hm a t l a bs o f t w a r ea n dc a r r i e so u ta na n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ： t h el o c a t i o n o ft r a n s m i s s i o np e a k si n c r e a s ea st h el i q u i dc r y s t a ld e f e c tl a y e r t h i c k n e s si n c r e a s e sl i n e a r l y ；t h ew a v e l e n g t ho ft r a n s m i s s i o np e a k ss h o wb l u e s h i f ta st h ev o l t a g eo fl cd e f e c tl a y e ri n c r e a s e s i ne x p e r i m e n t ，w ep r e p a r e dl i q u i dc r y s t a lp h o t o n i cc r y s t a lf i l t e rw h o s e e f f e c t i v ea r e ai s5 m m x 5 m m ，w ea l s ot e s t e di t st r a n s m i s s i o ns p e c t r u ma n d r e s p o n s et i m eb ys p e c t r o p h o t o m e t e ra n di n t e g r a t e dt e s t i n gi n s t r u m e n t w h e nt h e v o l t a g eo ft h ef i l t e ri sb e t w e e n0 vt o1 0 v ，t h ec h a n g eo fr e l a t i v et r a n s m i s s i o no f t r a n s m i s s i o np e a k si sb e t w e e n3 7 t o5 5 ，t h eb a n dg a pi sn e a r l y4 0 0 n m ，t h e t u n i n gr a n g e i sa b o u t5 0 h m ，f w h m ( f u l lw i d t ha th a l f m a x i m u m ) o ft h e t r a n s m i s s i o np e a ki s1 8 n m t h er i s i n gt i m eo ft h ed e v i c ei s1 5 m s ，a n dd r o p p i n g t i m ei s6 5 m s i na d d i t i o n ，a sl cm o l e c u l eh a sb i r e f r i n g e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea p p l i c a t i o no f t r a d i t i o n a ll cd e v i c e si n e v i t a b l yc o m b i n e sw i t ht h ep o l a r i z e r ，w h i c ha c c o m p a n i e s w i t ht h eo r i e n t a t i o no fl c p o l a r i z e rw i l ll e a dt ol i g h te n e r g yr e d u c ei ns o m e a p p l i c a t i o no fn o n p o l a r i z e dl i g h t ，e v e ni nt h es y s t e mo fp o l a r i z e dl i g h t i nt h i s 哈尔滨工程大学硕十研究生学位论文 p a p e rw ea l s og i v eo u tt h et r a n s m i s s i o ns p e c t r u mu n d e rn o n - p o l a r i z e dl i g h t ， a n a l y z et h ep o l a r i z e ds e n s i t i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e v i c ed e t a i l e d l y ，p r o p o s ea n d d e s i g nap o l a r i z e dn o n s e n s i t i v el i q u i dc r y s t a lp h o t o n i cc r y s t a lf i l t e r t h ed e s i g n o f d o u b l el i q u i dc r y s t a ld e f e c tl a y e r sc o m p e n s a t e st h ep o l a r i z e dl i g h tr e c i p r o c a l l y ， m a k e st h eo r i g i n a lt w ot r a n s m i s s i o np e a k si nt h eb a n dg a pi n c o r p o r a t et oo n e t r a n s m i s s i o np e a k ，w h i c he n h a n c e st h el i g h ti n t e n s i t ya n df i l t e rp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l i q u i dc r y s t a l ；p h o t o n i cc r y s t a l ；t u n a b l ef i l t e r ；d e f e c tl a y e r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：矗血 日期： u , 4 年月t t a 三t 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 、 一、1 作者( 签字) ：堕乞 导师( 签字) ：彩l 寸哆 日期：矽卵呷年月j 汨肼石月俗日 j| 哈尔滨丁程大学硕十研究生学伊论文 i i 第一章绪论 1 1 引言： 随着通信网对传输容量的要求不断增长和网络交互性、灵活性的需求， 产生了光波分复用技术( w d m ) 1 1 】。光波分复用技术又称光波长分割复用技 术，是指在一根光纤中能同时传输多个波长光信号的一种技术。它既能将几 种不同波长的光信号组合( 复用) 起来传输，又能将光纤中组合传输的光信号 分开( 解复用) ，送入几个不同的通信终端或指定光纤。 w d m 的优点【2 l 在于：可充分利用光纤的带宽资源，使同一根光纤的传 输容量增加几倍至几十倍，甚至几百倍；同时，光波分复用技术可以实现单 纤全双工( 双向) 传输，还可以在光纤用户网中增加组网的灵活性；随着传输 速率的不断提高，许多光器件的响应速度己明显不足，使用波分复用技术可 以降低对器件性能上的要求；光波分复用技术使用的波长互相独立，所以它 可以同时传输不同特性的信号。因此，波分复用技术成为当前迸行扩容、升 级改造以及建设新的高速、大容量通信网络的最佳技术选择。 w d m 光联网己由最初的线形点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、 网型结构。现在的w d m 系统与同步数字体系在结构上非常相似，w d m 光 联网是在后者的基础上，应用以光分插复用器( 0 a d m ) 和光交叉连接器 ( o x c ) 设备建立起来的。波分复用技术完成光传送网络节点之间的多波长 通道的光信号传输，o a d m 和0 x c 节点则完成网络的交换功能【3 】。 而当今基于w d m 系统的光传输网的发展朝着超长途密集波分复用 ( d w d m ) 设备一它能够充分利用光纤的传输特性，解决了网络节点间无电中 继传输问题、可重构的o a d m 一它能够简化网络，并且在整个波长内均衡了 信号噪声、0 x c 设备一未来智能化光网络的核心等方面发展1 3 j 。 随着人们对通信需求的不断增长，为了缓解通信网络的拥挤状况，增加 网络的灵活性及适应数据业务的需要，一些科研专家致力于研究w d m d 技 术。可以预见，d w d m 技术是提供高速、大容量光纤通信系统的最佳方式， 哈尔滨工程大学硕士研究生学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 葺i i i i ii i 采用d w d m 技术能最终实现更广泛的光联网网络。而随着d w d m 在光通信 系统的快速发展，单根光纤所需容纳的通道数越来越多，为了对多通道中的 某一个波长进行处理，就必须使用复用和解复用器。目前实现复用和解复用 器的方法很多，主要有薄膜滤光片、阵列波导光栅等，但这些都是不可调谐 滤波器。然而，未来的光网络朝着智能、灵活和可配置性方面发展，而具备 可调谐功能的滤波器则是实现这一趋势的重要器件，并且采用可调谐滤波器 能够动态控制o a d m 节点上下波长，从而达到网络重构的能力。 可调谐滤波器能够筛选出一个或多个波长信号，可用于波长转换是实现 未来全光网络的重要器件。为了满足未来光网络的要求，对可调谐滤光器性 能的要求也越来越高，包括调谐范围大、带宽窄、插入损耗小和串扰小等性 能。目前出现的光可调谐滤波器分别基于声光、热光波导、磁光、液晶、m e m s 和光纤布拉格等技术。主要有法布里珀罗( f p ) 可调谐滤波器、马赫曾德尔 可调谐滤波器、光纤f p 可调谐滤波器、阵列波导( a w g ) n 调谐滤波器、声 光可调谐滤波器、光纤b r a g g 光栅可调谐滤波器和液晶光子晶体可调谐滤波 器等。 1 2 可调谐光滤波器的介绍 1 2 1 声光可调谐滤波器 声光可调谐滤波器【6 】( a t o f ) 的原理是基于在声光介质中声波与光波之 间的相互作用，当声波和光波的动量满足动量匹配条件时，则相应的光波被 衍射而制成的新型分光器件，它具有光的调制、偏转和滤光等方面的功能。 从结构上划分，目前涉及的声光可调谐滤波器有两种类型：集成器件和体器 件。它们基本上是由两个偏振分束器和一个声光模式转换器兼滤波器组成。 这种滤波器主要应用于可调谐光纤激光器中的波长扫描。 与其它滤波器相比，声光滤波器具有调谐速度快( 几十微秒) 、调谐范围 宽( 约为几百纳米) 、插入损耗小、易于并行处理等优点。但是它的带宽不够 窄，功耗大，分辨率较低。 哈尔滨 _ 稃大学硕十研究生学位论文 1 2 2f a b r y p e r o t 滤波器 f p 干涉仪滤波器【9 j 是一种干涉型光滤波器，它由两个平行放置的高反射 板构成。在两平行板中填充介质，构成一个谐振腔，入射光在两个平行板之 间多次反射，形成多光束干涉。通过改变平板间的间距和介质的折射率可以 对f p 干涉仪滤波器输出波长进行调谐。由于f p 可调谐滤波器具有精细度高、 调谐速度快、体积小等优点，使其在光纤通信系统中得到了广泛地应用。 可调谐f p 滤波器的结构多样，不同结构的f p 滤波器采用不同的调谐方 式，其特性差异较大。目前可调谐f p 滤波器主要的研究热点包括微型电动机 械系统( m e m s ) f p 滤波器、波导f - p 滤波器、光纤光栅f p 滤波器、液晶f p 滤波器、固体腔f p 滤波器和光纤f p 滤波器。 铌酸锂f p 可调谐滤波器是由两个级联的f p 滤波器组成，采用内置 l i n b o ，晶体光波导，利用l i n b o ，的快速电光效应特性，通过改变光波导折 射率实现调谐，同时通过适当增大l i n b o ，波导的半径，减少谐振腔传输损耗， 可使此滤波器具有良好的选择性( d 于5 g h z ) 、较高的精细度( 大于3 0 0 ) ，调 谐速度低于1 0 n s 。 基于m e m s 技术的f p 可调谐滤波器的上反射镜通过四个支臂悬吊在基 底上方；牺牲层腐蚀去掉以后形成f p 腔。它的体积小、易于集成、便于大规 模生产。光纤f p 可调谐滤波器是将两光纤端面抛光，再镀上高反射率的金属 膜；两光纤端面之间的空气隙作为f p 腔，通过压电效应来改变腔长。光纤f p 可调谐滤波器的特点是：调谐范围宽、带宽窄、偏振相关损耗p d l d x ；其缺 点也很显著，边带抑制效果差、调谐速度慢( m s 级) 、稳定性不高( 对温度和 振动较敏感) 。 f p 滤波器虽然有足够大的可调谐范围和窄的带宽，但却由于要求非常高 的定位精度使得制作很困难。 1 2 3 阵列波导光栅滤波器 阵列波导光栅【1 1 】( a w g ) 是由输入波导、输出波导和两个硅基平面波导 3 哈尔滨t 程大学硕+ 研究生学位论文 光星型耦合器和一个相邻波导间具有恒定路径长度差的相位阵列波导组成。 从功能上来看，a w g 是由一个相位控制器、一个衍射光栅和外加辅助的输入 输出波导组成。其中的输入星形平板波导和阵列波导组成相位控制器，与阵 列波导输出端口相连的星形平板波导的输入端面起衍射光栅的作用。 a w g 具有插入损耗小、信道间隔小、器件尺寸小、可靠性好、复用信道 数多、易于和其他器件集成等特点。其不足之处是它的调谐速度慢，信道串 扰、温度稳定性很难控制。 1 2 4 分布反馈激光可调谐滤波器 分布反馈激光可调谐滤波器【1 2 】( a d f ) 的工作机理是利用激光器的选模 特性，通过改变多段式激光器可调谐端的注入电流来实现的。该滤波器可以 用在f s k w d m 系统中，作为发射器和调频接收器。以三段式d f b 激光二 极管可调谐光滤波器为例，它由d f b 增益区、相位调制区、d f b 反射区三 部分组成。在远超过激射阈值的大电流条件下，d f b 增益区工作起是提供光 信号的作用；d f b 反射区相当于布拉格反射镜的作用，它在透明电流附近工 作，没有明显的吸收和增益，可忽略光子与载流子的相互作用；相位调制区 通过调节光信号的位相，对控制自脉动的产生起到重要作用。 d f b 激光可调谐光滤波器的优点为：d f b 激光可调谐光滤波器为有源器 件，可同时提供增益，调谐速度极快。但是是它的分辨力较低，f s r 较小( 为 半导体材料的增益带宽所限) ，偏振态敏感。 此外，b r a g g 光纤光栅滤波器1 1 5 】具有平坦、狭窄的光谱响应，插入损耗小， 串扰低等优点，适用于高速光通信中。马赫曾德尔干涉【1 7 1 ( m z i ) 滤波器有 非常窄的带宽，但截止深度不够。基于晶体电光效应的可调谐滤波器具有调 谐速度快( 可以达到微秒量级) ，但是它存在边带过高的缺点。 1 2 5 液晶光子晶体可调谐滤波器 光子晶体一种新型介电常数呈周期性分布的人工微结构材料，具有光子 禁带和光子局域的特性，在其禁带中引入缺陷材料可以实现滤波特性，很大 4 哈尔滨工程大学硕士研究生学位论文 i i i i i 程度上满足了光通讯对滤波器的要求。同时，光子晶体滤波器的滤波性能比 普通的光滤波器要好得多，对通过波段的光波的损耗也非常小。而液晶是一 种各向异性光学材料，其电控双折射特性使液晶的双折射率对外界参量( 电 磁场、温度、压力) 变化很敏感。因此也可以将液晶作为光子晶体的缺陷制 作可调谐滤波器。其工作原理如下： 在光子晶体内部存在光子禁带，频率处于禁带区域的光波被禁止传播。 在光子晶体中引入某种形式的缺陷，则原有的光子禁带中将会出现透射峰， 如图1 1 所示，这样它就具有滤波功能。 习 母 、 c q 塑 e c 口 t - w a v e l e n g l h h m 图1 1 带缺陷的光子晶体透射谱 液晶光子晶体滤波器的缺陷层是向列相液晶，它的介电常数和折射率有 明显的各向异性，在电场作用下液晶分子很容易发生转动，趋向电场方向。 首先使液晶分子平行排列，然后在垂直于排列的方向上加电场，那么不同强 度的电场会使液晶分子的倾斜角度不同。如使偏振光垂直入射液晶介质，且 光偏振方向与液晶初始的取向方向平行，随着电场增加光偏振矢量与液晶驭 向之间的夹角发生变化，入射光在液晶层中的有效折射率就会发生变化，从 而改变了光在液晶中的有效光程，进而改变了光子晶体的透射谱，这就是本 文设计的液晶缺陷光子晶体调谐滤波器的工作原理。 哈尔滨工稃大学硕十研究生学位论文 m 一 一 vin_i i i i i i i i i i 把液晶作为缺陷加入光子晶体中，形成的液晶可调谐光子晶体滤波器具 有更好的调谐滤波功能。相对于上文提到的这些可调谐滤波器，液晶光子晶 体滤波器具有结构简单、驱动电压低、没有机械运动、易集成、体积小、易 多元化、成本低、容易获得和良好的滤波性能等优势，很大程度上满足了光 通讯发展对滤波器的要求，这使得它在光通讯领域有着很好的应用前景。 1 3 本文研究内容 本文针对可调谐一维液晶光子晶体滤波器的调谐特性进行了研究，主要 研究内容包括： 第二章通过对光子晶体的理论分析，用m a t l a b 数值模拟了不同介质折射 率的对比度、不同周期数以及不同周期缺陷层和缺陷层两侧周期数不二致时 的光子晶体的透射谱，并对其进行分析。 第三章通过液晶弹性理论以及液晶传输矩阵，模拟了液晶的电光性质， 得出不同电压下液晶倾角与其所在盒内位置的关系和电压与位相的关系，并 对其进行了分析。 第四章对一维液晶光子晶体滤波器的理论研究。首先，分析了液晶光子 晶体国内外的发展；其次，对滤波器材料的特性进行分析，选定特定的参数， 借助第二章的光子晶体理论以及三章液晶理论，建立滤波器的数学模型；最 后，根据其数学模型，通过m a t l a b 模拟了透射峰与缺陷层厚度的关系和不同 电压下的透射谱，根据模拟结果对滤波特性进行分析。 第五章对一维液晶光子晶体滤波器的实验研究。制各了液晶光子晶体滤 波器，该滤波器的有效面积为5 m m x 5 m m 、电压范围在o v 一1 0 v 内时，透射峰 的相对透过率在3 7 5 5 之间、禁带宽度近4 0 0 h m 、调谐范围约5 0 n t o 、透射 峰的半高宽为1 8 n m 、其上升时间为1 5 m s 、下降时间为6 5 m s 。实验还测得了 没有液晶缺陷层和液晶缺陷层在不同电压下的透射谱。除此之外，提出了一 种偏振非敏感双液晶光子晶体滤波器，双液晶缺陷层的设计解决了一维液晶 光子晶体滤波器光偏振敏感特性。 第六章是对全文的总结及对以后工作的展望。 6 哈尔滨工稗大学硕十研究生学位论文 第二章光子晶体的理论及分析 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h l l 8 】在研究抑制自发辐射时，提出了光子晶体 ( p h o t o n i cc r y s t a l ) 的概念。几乎同时，s j o h n l l 9 】在讨论光子局域时也独立 地提出了这个概念。光子晶体的概念的提出向人们展示了一种新的控制光子 的机制，它完全不同于以往利用全反射来引导光传输。给光通信技术的发展 和应用带来了新的生机和活力。美国s c i e n c e 杂志把光子晶体列为1 9 9 9 年十大 科学进展之一，并将光子晶体列为未来的六大研究热点之一，预示着光子晶 体广阔的诱人前景。 2 1 光子晶体的概述 在过去的一个世纪，电子技术发展迅速，几乎进入了人们生活的每一个 方面。但是，随着电路集成度的提高和处理速度的飞速发展，出现了很多新 的，难以解决的问题。于是，科学家们开始专注光子技术的研究，希望可以 用光子取代电子来传输、处理和存储信息。光相对电有很多的优点【2 0 1 ，其信 息容量、效率、传播速度、响应能力、抗干扰、能量损耗、互连能力和并行 能力等方面的性能都远远的超过了电子。但光子的控制却相当困难，这使得 光器件的研究和应用难以取得重大的进步。而光子晶体是最有希望实现这一 目的的材料。 光子晶体是由不同介电常数的介质在空间上按一定周期交替排列而得到 的人工结构材料，该排列周期为光波长量级。光子晶体也叫光子带隙材料或 电磁晶体，尽管绝大多数光子晶体是由人工设计制造出来的，但在自然界中 也存在光子晶体，例如蛋白石和蝴蝶翅膀等。光子晶体具有类半导体能带的 光子禁带，被誉为光半导体，已经成为近年来研究的热门课题。可以预言， 就像半导体在电子学发展中的作用一样，光子晶体将在光子学和光电子学的 发展中发挥其革命性的作用。 7 哈尔滨_ r 程大学硕士研究生学位论文 2 1 1 光子晶体的特性 光子晶体的最根本特征是具有光子禁带，光子禁带的存在可以抑制自发 辐射。所谓光子禁带( 也称光子带隙) 是指在一定频率范围内的光子，在光 子晶体内的某些方向上被禁止传播。当原子被放在一个光子晶体中，只要它 的自发辐射频率正好落在光子禁带里，自发辐射将被抑制。选择没有吸收的 介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为 1 0 0 。光子禁带分为完全禁带和不完全禁带，只在某一特定方向上出现的禁 带称为不完全禁带；而完全禁带是指在各个方向都存在禁带，且每个方向的 禁带在某个频率范围内彼此重合。光子禁带的结构与晶体结构、晶格常数、 组成材料的介电常数队及晶体总体积中被任何一种材料占有的百分比即填充 比等有关1 2 1 】。 “光子局域性”是光子晶体的另一个特征。如果在光子晶体中引入某种缺 陷，光子晶体中原有的周期性或对称性就会受到破坏，其光子禁带中就有可 能出现频率极窄的缺陷态，与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷的 位置，一旦偏离缺陷位置，光就将迅速衰减。在光子晶体中，如果有某种形 式的缺陷，则光子晶体的禁带结构将发生相应的变化，在原来的光子晶体禁 带中出现缺陷带，缺陷的性质将深刻地影响缺陷带的位置。 光子晶体中的缺陷主要有：点缺陷、线缺陷、面缺陷。其中点缺陷相当 于一个微腔，就像光被具有全反射的物质完全包围起来，它可以把光“捕获” 在一个特定的位置，这样光就不能从任何方向向外传播；线缺陷则类似与一 个波导，在垂直于线缺陷的平面上，光都被局域在线缺陷的位置，光只能沿 线缺陷方向传播；而面缺陷恰似一个完美的反射镜【2 2 1 。 由于光子晶体对光的可操控性，以及光子有着电子所没有的优势：速度 更快，没有相互作用等，光子晶体的这些特质使其具有很广阔的应用前景。 目前提出的应用主要有光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体谐振腔、光 子晶体天线，以及利用光子晶体制作的反射镜、偏振片、发光二极管等，其 中以光子晶体光纤的发展最为成功。光子晶体的特性使其器件的性能更为优 哈尔滨工程大学硕士研究生学位论文 越，大多数传统光学产品将被光子器件所取代。光子晶体被认为是未来的半 导体，对光通讯、微波通讯、微谐振腔、集成光路、高效率发光二极管、光 电子集成以及国防科技等领域将产生重大影响。 2 12 光子晶体的分类 够”廓”面 獭j 母 圈2 11 d 、2 d 、3 d 光予晶体 如果从组成光子晶体的介质的折射率和极化率的特性来看，光子晶体可 以分为线性光子晶体和非线性光子晶体两大类。线性光子晶体的折射率在空 间上呈周期性变化的介电微结构，并且它必须由至少两种不同折射率材料周 期性排列而成，其折射率对比度一般要求大于2 6 ，而且还要求有一定的填充 比；而非线性光子晶体的折射率在空间是不变的，但非线性的极化率在空间 却呈周期性变化。 根据“周期性”的维数光子晶体分为一维，二维和三维的。图21 是不同维 数光子晶体的模型。 所谓的三维光子晶体的介电常数在空间三个方向都具有周期结构，就有 可能出现完全光子禁带，禁带内禁止任何方向的光或者电磁波的传播。从应 用的角度考虑，三维光子晶体的完全禁带具有重要的应用价值。一般来说， 光子晶体介质的介电常数反差越大( 一般要求大于2 ) ，得到光子禁带的可 能性就越大，光子禁带的出现和调节主要取决于其晶格类型、组成材料的介 电常数配比及高介电常数材料的填充比等，条件比较苛刻。制作具有完全光 子禁带的光子晶体无疑是人们面临的一项巨大挑战。美国贝尔通讯研究所的 y a b l o n o v i t c h ”l 创造出了世晃上第一个具有完全光子频率禁带的三维光于晶 哈尔滨 _ 程大学硕士研究生学位论文 体，它是一种由许多面心立方体构成的空间周期性结构，也称为钻石结构。 三维光子晶体的制作方法有全息照相法、精密机械加工法【2 4 】、模板法【2 5 j 和自 组装法【2 7 】等。结合这些方法可以比较精确地制作出工作在红外和可见光波段 甚至更短波长【2 8 j 的光子晶体，但是由于这些方法在工艺上过于复杂，制作能 够工作于短波长的密集波分复用的光子晶体比较困难，对材料和设计加工都 有很高的要求。 二维光子晶体的介质折射率在二维空间呈周期性变化，主要结构有周期 性排列的介质棒阵列和打孔的薄膜结构。排列方式一般为四边形、六边形和 三角形点阵。其截面形状不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样，矩形的 光子频率禁带范围较窄，三角形和六边形的光子频率禁带范围较宽。为了获 得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同的两种介 质圆柱杆来构造二维光子晶体。通过调节棒或孔的直径以及间距大小，可以 实现不同频率与带宽的光子禁带。最早制作二维光子晶体是用机械钻孔1 2 9 】的 方法或者用介质棒来排列，现在二维光子晶体的制作一般采用激光刻蚀、电 子束刻蚀和外延生长法等方法1 3 1 j 。 一维光子晶体是折射率在一维空间呈周期性变化，主要是层状排列结构。 两种不同折射率的介质薄膜交替排列就可以构成一维光子晶体，传统的多层 膜也可以看作是一维光子晶体。一维光子晶体结构最为简单，易于制备，成 本低，精确度高，禁带计算较之二维、三维光子晶体容易很多，在滤波器设 计和应用方面有突出优势制备方法有真空镀膜技术、溶胶凝胶技术、分子束 外延【3 4 】等。f i n k t 3 6 】等人从理论和实验上指出一维光子晶体也可能具有全方位 的三维禁带结构，因而用一维光子晶体材料可能制备出由二、三维光子晶体 材料制作的器件。这一切为光子晶体的制备和应用开创了重要途径。因此， 对一维光子晶体仍有很高的研究意义和应用价值。 光子晶体概念的提出是基于光子在周期性结构中的行为与电子在普通半 导体晶体中行为具有强烈的相似性，这些相似性一方面预示了光子晶体大有 可为的应用前景；另一方面，也为我们将不同半导体晶体的研究方法移植到 1 0 哈尔滨二广程大学硕十研究生学位论文 光子晶体的研究中来奠定了基础，固体物理中的很多概念都可以用在光子晶 体上，如倒格矢，布里渊区，色散关系，b l o c h 函数等，能带理论和很多能带 计算方法也可以经过少许修正和变化后为光子晶体所用。 2 2 光子晶体的数值计算方法 自从光子晶体概念提出以来，越来越多的科学工作者投入到这方面的工 作，尤其是理论计算方面进展很快。最初的计算方法是从固体物理中能带的 计算发展过来的，主要采用的是平面波展开法( p