（物理电子学专业论文）太赫兹波段二维光子晶体传输器的研究.pdf

摘要 摘要 太赫兹( t e r a h e r t z ，t h z ) 波是指频率在10 0 g h z 一10 0 0 0 g h z 范围的电磁波，它 霞予微波与缓磐线之阗。太赫兹波舆祷蒸独特翡优点，如太赫兹谱包含丰富的物 理纯学信患，娃及太赫兹脉冲具誊瓣态缝、宽鬻拣、褶于性、低熊性等特燕，在 物体成像、环境监测、隧疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等诸多方面具有一定 的应用潜力。目前对太赫兹波的研究突飞猛进，相继出现了太赫兹发射器、探测 嚣。然两在大多数熬实验平台孛，太赫兹波是在鑫出空阀孛传播酶，致使在某释 程度上难以对其进行控制稆零| 导。 光子晶体是介电常数成周期性分布的一种介质材料，周期为光波长量级。在 光予晶体结构中存在着特殊静频带，在这些频带中电磁波是被禁止传播的。如果 在麦子晶体孛霉l 入缺陷，嬲在禁繁中会凌现缺隆态，襞褥与该缺麓态波长澍癍戆 电磁波可以在其中传播。光子最体的这特性使其可以制造多种器件，如光予晶 体滤波器、反射器、开关等，并且可以根据需要适当地引入缺陷或改变结构，具 有一定麴霹调节毪。这种毙予燕体结秘也嚣群适耀予太赫兹波段，并显在太赫兹 波段关有定鹃蒜势，戮隽太赫兹波段瓣光子晶体结构魄光学波段懿燕子晶落结 构在制作上容易的多，同时跟微波波段的光子晶体相比，结构熙有一定的紧凑性， 因此研究太赫兹波毅的光子晶体材料，并设计仿真太赫兹光子晶体传输器，分析 它餐j 羲涟麓，其有较大蕊意义，为太赫兹技术翁庭壤提供一个有测蕊基瓣。 本论文从光子器体糟隙特点研突入手，采用平菰波疑开法推导二维光子燕俸 中电磁波传播主方程。研究了填充率、介质介电常数对太赫兹波段正三角晶格和 正方磊掊二维光子鑫体带隙懿影响，分褥了凡释适用于太赫兹波段翡光子薨体材 料并选择继稻氯纯键为材糕，戳要辍德波隽铡，发现填充率旁0 ，1 7 露黧歪方器格 光予晶体和填充率为o 1 2 时的三角晶格光子晶体舆有较佳的带隙结构，利用这两 释结构设计了太赫兹波段光子晶体盥波导和4 5 度、6 0 度、9 0 度的弯波导以及t 型秘y 鳖波导，探讨鼗黧对波导抟输牲麓蕊嚣睫，最磊蒋妥较好的转输维栗。 关键字：太赫兹，光子晶体，平面波展开，光子带隙，缺陷，波导 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et e r a h e r t z ( t h z ) r e g i o nt h a tl i e sb e t w e e nt h em i l l i m e t e ra n di n f r a r e dr e g i o ni n t h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m , w i t hf r e q u e n c i e sr a n g i n gf o r m1 0 0g h z 协1 0 0 0 0 g h z ，i s a l li m p o r t a n tr e g i o n 。a n di th a sb e e np r o v e dg r e a t l yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm a n y d o m a i n s i n c l u d i n gi m a g i n g , e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g , m e d i c a ld i a g n o s i n ga n d b r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t od a t e ，p r o g r e s si nt h z s p e c t r o s c o p yh a sb e e n e l l o r m o u ss u c ha st h z - r a d i a t i o ne m i t t e r sa n dd e t e c t o 耀t h zs p e c t r o s c o p yt e c h n i q u e s u s e sm a i n l yf r e es p a c ep r o p a g a t i o no ft h i sf a r - i n f r a r e de l e c t r o m a g n e t i c ( e w a v ea n d i ti st os o m ee x t e n td i f f i c u l tt oc o n t r o la n d g u i d e p h o t o n i cc r y s t a l sa r eo p t i c a ls t r u c t u r e sw i t hw a v e l e n g t h - s c a l e p e r i o d i cv a r i a t i o n so f t h er e f r a c t i v ei n d e x 。t h e r ea r ef r e q u e n c yb a n d s ，w h i c hc a l l e dp h o t o n i cb a n d g a p , i nt h e p e r i o d i cd i e l e c t r i cm a t e r i a l s i ft h e r ea r ed o to rl i n ed e f e c t si nt h ep e r i o d i cd i e l e c t r i c ，i t w i l la p p e a rf r e q u e n c yb a n d si nw h i c he l e c t r om a g n e t i cw a v ec a np r o p a g a t e t h e p h o t o n i cb a n dg a ps t r u c t u r e sh a v eb e e ne x p e r i m e n t a l l yu s e de f f e c t i v e l yi nm a n y d o m a i n s , a n dc a l la c h i e v es p e c i a lf u n c t i o nb yi n t r o d u c i n gd e f e c t si ni t t h e s e p e r f o r m a n c e sd ow e l li nt h et e r a h e r t zr a n g e sa l s o a n da ni m p o r t a n tr e a s o nf o rd e s i g n t h et e r a h e r t zp h o w n i cc r y s t a lp r o p a g a t i n gd e v i c e si st h ea v a i l a b i l i t yo fp r e c i s i o n m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e si ns u b - m i l l i m e t e r , 罄t h ef a b r i c a t i o no fap h o t o n i cc r y s t a lf o r t h eo p t i c a lr e g i o nc a nb ea h i 醢t e c h n i c a lc h a l l e n g ea n dt h es i z eo fp h o t o n i cc r y s t a li n m i c r o w a v ei st o ob i g t h c r e f o r e , a n a l y z i n gt h ep h o t o n i cc r y s t a lm a t e r i a la n d d e s i g nt h e t e r a h e r t zp h o t o n i cc r y s t a la r es i g n i f i c a n ti na p p l y i n gt h et h z t e c h n o l o g y t h ep a p e ru s e sam e t h o dc a l l e dp l a n ew a v ee x p a n s i o nm e t h o dt os t u d yt h eb a n g a p c h a r a c t e r i s t i co ft h et w od i m e n s i o n a lp h o t o n i cc r y s t a li nt e r a h e r t zr e g i o n 。s t u d i e sh o w t h er a d i u sa n dt h er e f r a c t i v ei n d e xo ft h ed i e l e c t r i cc y l i n d e r sa f f e c tt h eb a n d g a po ft h e p h o t o n i cc r y s t a l 谢也t w od i m e n s i o n a lr e c t a n g u l a rp h o t o n i cl a t t i c ea n dt r i a n g u l a r p h o t o n i cl a t t i c e 。a n a l y s e ss o m es t u f ft h a tm a yb eu s e di nt e r a h e r t zr e g i o na sp h o t o n i e m a t e r i a l c h o o s es i l i c o na n da l u m i n aa sd i e l e c t r i cm a t e r i a lt os t u d yt h et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i co f p h o t o n i cw a v e g u i d ei nt e r a h e r t zr e g i o n s o m ew a v e g u i d e sa r ed e s i g n e d i n c l u d i n gl i n ew a v e g u i d e ，4 5 4 b e n dw a v e g u i d e , 6 0 。b e n dw a v e g u i d e , 9 0 0b e n d 堇薹 a b s 瞰( 了r w a v e g u i d e ，t - j u n c t i o n ，y - j u n c t i o n ，e t c a n dc h a n g et h ed e f e c t so n et i m eal i t t l et o a c h i e v ew o n d e r f u lt r a n s m i s s i o nr e s u l t t h er e s u l t st e l lu st h a tu s ep h o t o n i cc r y s t a l s t r u c t u r et om a k ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e g u i d ew i l lh a v eg o o dt r a n s m i s s i o nr e s u l t k e y w o r d s ：t e r a h e r t z ，p h o t o n i cc r y s t a l ，p l a n e w a v ee x p a n s i o nm e t h o d ，p h o t o n i e b a n d g a p ，d e f e c t s ，w a v e g u i d e i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注耧致谢的地 方外，论文中不包含其健人已经发表或撰写过髓研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育枧掌冬的学位或证书磊使用过的材料。 与我一阏工作豹同志对本研究所做豹任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意甘 签名：筮j 鱼日期：力移g 年占月笱e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文 笮者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密震应遵守此规定) 日期：2 d o p 年芎月2 5 闷 第一章绪论 1 1 太赫兹简述 第一章绪论 “太赫兹”( t e r a h e r t z ) 这一概念是1 9 7 4 年f l e m i n g n l 为描述麦克尔逊干涉 仪的光谱频率范围而提出的。通常是指频率从i o o g h z 到1 0 0 0 0 g h z ( 1 t h z = i o 豫h z ) 的电磁波。从电磁波谱上看，它在长波段与毫米波( 受毫米波) 相交叠，而在短 波段则与红外线相交叠，如下图1 - 1 所示。从频域上看，太赫兹处于宏观经典理 论向微观量子理论的过渡区。一直以来豳于缺乏有效的太赫兹产生和检测方法，与 传统的微波技术及光学技术相比较，人们对这一波段的电磁辐射特性的了解甚少， 以致于是现了电磁波谱中的太赫兹空隙。从研究技术上看在太赫兹的长波方向， 主要依靠电子学( e l e c t r o n i c s ) 科学技术，而太赫兹的短波长方向则主要是光子 学( p h o t o n i c s ) 科学技术，从而在电子学与光子学之间形成一个太赫兹空隙。从 太赫兹技术辐射研究的历史来看，早期人们对太赫兹辐射研究的兴趣主要集中于 大气对太赫兹波的强吸收，因而这一时期的太赫兹技术主要是被天文学家和化学 家用于研究些单分子的转动和振动的光谱性质以及热发射线等方面上。 1 0 1l 矿l l 矿 1 0 4 1 0 - 1 11 0 - 肛1 0 一u1 0 1 7 1 0 91 0 l l10 1 3 1 0 1 5 1 0 圩 1 0 1 91 0 2 11 0 嚣1 0 2 5 频率莲魏 图i - i 太赫兹波在整个电磁波谱中的位置 由于太赫兹波段电磁波的特殊性，其产生和探测技术有其独特之处，对基础 研究、高新技术和国防技术有特殊意义。太赫兹波段包含了丰富的科学信息，尤 其是众多有机大分子的振动和转动处于该频谱范围，因此一直是科学家渴望研究 的波段。只是由于太赫兹处于微波技术和光学技术之间，所以相当长一段时间， 因受波源和探测技术的限制，很少有人问津。2 0 世纪8 0 年代以来，随着太赫兹波 电子科技大学颈学僚论文 发生技术上取褥蕊一系列成粟，尤其是震量子级联激光器帮邀由毫子产生大功率 太赫兹波源的技术以及在太赫兹波探测、成像等方面取得的诸多进展，在全世界 范围内醴经形成了一个太赫兹科学技术的研究热潮。2 0 0 4 年2 月，美国技术评论 期确在公耀的未来影响世赛的十大关键技术中将太赫兹技术列为第五位。此豁， 在美国有数十所大学都在从事太赫兹的研究工 誊，并成立了美丽屋家重点实验室。 美国国家基金会( n s f ) 、国家航天局( n a s a ) 、能源部( d o e ) 和国家卫生学会 ( n i h ) 等都从9 0 年代中期开始对太赫兹科学技术进行大规模的投入。英圈的卢 瑟褥墓家实验室、剑耩大学，德鍪赡k a r l s r u h e 、b r a u n s c h w e i g 、c o h nh a m b u r g 等大学都在积极开展太赫兹研究工作；欧洲国家还刹用欧盟的资金组织了跨国多 学科参加的大型太赫兹合作研究项秘；俄国国家科学院专门设立了一个太赫兹研 究计鲻；圈本也予2 0 0 5 华圭月8 豳公毒了霹本+ 年科技战略攥划，提出十项重大 关键技术，其中太赫兹技术彼予首位。我重豹科研工作者也在近几年开展了些 太赫兹技术的研究工作，在太赫兹波时域光谱及其在生物学领域的应用研究方面 取得了一些成果。2 0 0 5 年l 圭月，我圜在北京霜开了第2 7 0 次番出会议，会议的主 题便是“太赫兹科学技术嚣薪发旋 。交就是见太赫兹技术发展的重要缝。 1 。1 太赫兹波的特性 太赫兹技术之所以孳| 起广泛懿关注，主要是舞为物质的太赫兹光谱( 包括发 射、反射和透射谱) 蕴涵着丰富的物理和化学瘩患躲3 ，具有很好靛应雳前景。嚣翦 它的应用主要集中在两个方面，即太赫兹时域光谱分析和太赫兹成像研究，可能 的应用还包括太赫兹医学成像，生物分子构像的太赫兹时域光谱分橱，无标记d n a 分子探测，太赫兹显微成像，在体( i nv i v o ) 医学诊断，对生物材料水含量的耩确 分析，蛋是质构像变他的动态测量，光诱导的大分予结构变化，蛋魍质芯片( 快速 扫描方式无标记) ，蛋囱质反应监测等等。 与传统的逛磁波糟院，太赫兹渡有它的优越特性，表现在以下见个方砸。 ( 董) 广泛性，分析银河星系的光谱能量分布可以知道所有发光体的1 2 翡能 量和宇宙大爆炸发射的西分之九十八的光子能量都是位于太赫兹的频率范围。 ( 2 ) 瞬态性，太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材 料( 包括液体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，丽且通过 取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。嚣前，其辐射强度测壤的 信嗓比可以大于1 0 1 0 ，远远高于傅壁叶变换红外光谱技术，蕊虽稳定性更好。 2 篼一章绪论 ( 3 ) 宽带性，太赫兹赫冲源通常只包含若干个周期酶电磁振荡，单个脉冲的 频带可覆盖由g h z 到几十个t h z 的范围，有利于在大的范围里分析物质的光谱性 质。 ( 4 ) 相于性，由相予电流驱动的偶极子振荡产生或由相干的光脉冲遥过非线 性光学差频产生的太赫兹波具有时间、空间相干性，太赫兹波的相干测量技术能 够直接测量电场振幅和相位，无需使用k r a m e r s - k r o n g 色散关系就可以提供介电 常数的实部和虚部信息。因此，能够精确获得样熙折射率和吸收系数。 ( 5 ) 太赫兹波与极性分子具有缀强的相互佟用，例如水、氨等对太赫兹波具 有很强的吸收作用，于是在太赫兹波段具有许多独特的光谱，利用各种分予在太 兹波段的独特谱线可以进行环境监测，空气污染的监测，以及气体传感等等；而 对非极性分子太赫兹波则有很强的穿透性，如对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张 和干木材等一系列物质，具有较好的穿透性能，从而可以探测x 射线、可见光和 红外不可探测的材料内部缺陷和隐藏物。 ( 6 ) 太赫兹波的光子能量较低，频率为王太赫兹的光子能量只有大约4 m e v ， 约为x 射线光子能量的1 7 1 0 6 ，因丽不会使生物组织产生有害的电离，所以可以进 行安全的无损检测，特别适合于生物材料的研究。例如用太赫兹时域谱技术研究 酶的特性，以及进行d n a 鉴别等。 ( 7 ) 在太赫兹波段小型和极小型的天线阵列和电路可以较好缝应焉，因为在 这一波段天线和电路的尺寸受相应通讯波长的影响而比在微波与毫米波波段要小 的多。太赫兹波的这一特点可以应用在医学成像和制作成像设备上。 ( 8 ) 太赫兹波具有很高的时间和空间相干性。太赫兹辐射由相干电流驱动的 偶极子振荡产生、或是由相干的激光脉冲通过菲线性光学差频产生的，具有很高 的时间和空间相干性。目前已有的太赫兹检测技术可以直接测量振荡电磁场的振 幅和相位。这对研究材料的瞬态相干动力学问题有很大的帮助。 ( 9 ) “指纹 特性，大多数分子均有相应的太赫兹波段的“指纹”特征谱，特 别是许多有机分子在太赫兹波段呈现出强烈的吸收和色散特性，这与分子的振动 和转动能级有关的偶极跃迁相联系的。就如每个人的指纹具有不一样的特点，分 子的偶极跃迁也是于差万别的，研究材料在这一波段的光谱对于揭示物质的结构 及性质有重要意义。 ( 1 0 ) 凝聚态体系的声子吸收很多位于太赫兹波段，另外自由电子对太赫兹波 也有很强的吸收和散色，因而太赫兹波有望成为研究凝聚态材料中物理过程的很 好工具。 电子科技大学硕士学位论文 砸是太赫兹波的这些特点决定了太赫兹技术存在的独特价值：在物体成像、 环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等方面存在巨大的潜在应用价值， 尤其是在卫星通信和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。 总之，太赫兹技术已经成为了一个新兴漪领域，有关太赫兹辐射的研究正处 于一个方兴未艾的上升时期。可以预见，太赫兹辐射也将像光学和微波波段的辐 射一样，给人类社会的许多方面带来巨大的影响。目前研究的核心是太赫兹器件， 包括太赫兹辐射源、太赫兹滤波器、太赫兹波导等。 1 1 2 太赫兹技术的应用 尽管太赫兹波的产生和探测技术只在近几年才取得一些成果，目前也没有适 当功率的小型化商品出现，然而太赫兹技术的应用早已得到同步开展。这主要是 因为太赫兹波在某些应用领域的不可替代性。这些也是太赫兹波的上述独特特性 决定的。 太赫兹波的穿透牲介于可见光耜x 射线之闻，因此太赫兹成像技术( t - r a y i m a g i n g ) 相对于可见光和x 射线有非常强的互补性。又存在不会对生物组织造成 伤害的优点，因此在材料研究、安检、生物和医学中的各种成像应用是目前开展 的最广泛的研究。太赫兹波成像技术可以剥照相位信息进行成像，虽然许多干电 介质对太赫兹波来说是基本透明的，但是折射率不同会引越太赫兹波相位的变化， 从而实现对不同材料的鉴别。此外通过分析太赫兹成像过程中太赫兹波的相位和 振幅的变化，可以实现对材料光谱特性的研究，例如测定掺杂半导体载流子的富 集度和迁移率貉1 和研究高温超导材料的特性嘲等。 ( 1 ) 利用太赫兹成像进行无损检测，太赫兹波的强透射能力和低辐射能量使 得其在无损伤检测方面具有独特的优越性。利用太赫兹波可以穿透衣物、纸盒、 塑料等物质的特性，可以实现非接触、菲破坏性的探测，有效缝检测行李、包裹、 或信件中的毒品、爆炸物以及生物化学危险品等。目前，英国已经研制出了太赫 兹摄像机，并将其试用于机场安全检测中。太赫兹成像技术有望成为机场、车站、 及海关等场所的安全检查的有效新手段。 ( 2 ) 环境监测，随着经济的发展不仅发生了区域性的环境污染和大规模的生 态破坏，而且出现了温室效应、臭氧层破坏、酸雨、物质灭绝等一系列问题，严 重威胁着全人类的生存和发展，这些问题的解决成为各国共同关注的重大课题。 利用太赫兹技术熊够对固体、液体等介质憋电、声学性质及化学成分进行磅究。 4 第一章绪论 太赫兹辐射可以穿透烟雾，检测基有毒或有害分子，因此可粥予污染物检测。大 气层中的水、氧气、氮化物、氯化物等同样吸收太赫兹波，通过卫星携带的太赫 兹波探测器，可以对大气中这些气体的含量及分布等进行监测，从而为全球广泛 关注的溢室效应臭氧消失等世界性的环境问题提供第一手的数据和资料。据报道， 美国已将太赫兹环境监控设备( 利用二氧化碳激光作为泵源，频率为2 5 太赫兹) 安装到卫星上了。 ( 3 ) 通信领域 太赫兹在太空通信方面具有匿大的应焉潜力，太赫兹卫星太空残像和通信技 术已成为各大国关注的重要领域。前已述及太赫兹波位于红外线与高频无线电( 主 要用于移动电话和其它无线通信系统中) 之间，由于该频段频率是目前手机通信 频率的1 0 0 0 倍左右，频带资源丰富，是镘好的宽带信息载体，特别适合作卫星间、 星地闻及局域网的宽带移动通讯。有关专家预言，无线太赫兹网将会取代无线局 域网或蓝牙技术，成为短距离无线通信的主流技术。在信息技术方面，太赫兹波 收发机的原理试验已经开展，人造卫星上搭载的太赫兹探测器已成功地绘制了地 球海洋酌温度分布图，其作为宽带无线通讯的一种手段也正在研究之中。 ( 4 ) 医学领域 由于很多生物大分子如d n a 分子的旋转及振动能级处于太赫兹波段，生物体 对太赫兹波具有独特的响应，所以太赫兹辐射霹用于疾病诊断、生物体的探测及 癌细胞的表皮成像。由于太赫兹波具有类似x 射线且与其互补的穿透能力，而且 其光子能量低，不会造成活体组织的破坏，因此太赫兹波成像技术已经成为医学 检查的一个有效工具。太赫兹射线断层摄影术可实现对烧伤组织的菲接触诊断。 已有实验室利用太赫兹“雷达技术对动物组织的烧伤进行了探测，并且可 以对烧伤程度作出标定，以辅助诊断皮肤的烧伤程度。c h e n 等人利用太赫兹技术 测量了乳腺正常组织和肿瘤病变组织部分的不同光谱，发现癌变组织和正常组织 的太赫兹波具有不霹的振幄、波形及时闻延迟。因此利用太赫兹成像技术能够实 现肿瘤的早期诊断。 1 1 3 太赫兹辐射源 目前产生太赫兹辐射的主要方法是利用超短激光脉冲去激发太赫兹辐射，通 常有两种方法：第一种方法利用光导天线激发机制，第二种方法则利用光整流效 应。第一种方法是在2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初由d h 。a u s t o n 和d g r is c h k o w s k y 电子科技大学硕十学位论文 等人发展起来的，这一方法基于天线机制，利用光电导来产生太赫兹电磁辐射脉 冲。其基本原理如下：在光电导半导体材料( 如g a a s ) 表面淀积金属制成偶极天 线电极结构，利用飞秒激光器照射电极之间的光电导半导体材料，能在其表面瞬 时地产生大量自由电子空穴对，这些光生载流子在外加电场或内建电场作用下被 加速，在光电导半导体材料表面形成变化极快的光电流，于是产生向外的太赫兹 电磁辐射脉冲。第二种方法是2 0 世纪9 0 年代初，张希成等人在沈壤的工作的基 础上进一步发展，发明了基于亚皮秒光整流机制下产生相干太赫兹电磁波辐射脉 冲的方法。其原理是：利用激光脉冲在电光晶体中的非线性效应，通过远红外差 频的方法产生太赫兹电磁波辐射脉冲。这种机制利用光波产生静电场，被称为亚 皮秒光整流方法。光整流效应是一种非线性效应，是利用脉冲宽度在亚皮秒量级 的激光脉冲和非线性介质( 如z e t e ) 相互作用而产生低频电极化场，此电极化场 辐射出太赫兹电磁波。 这两种产生太赫兹辐射的方法中，用光导天线辐射的太赫兹电磁波能量通常 比用光整流效应产生的太赫兹波能量强。因为光整流效应产生的太赫兹波的能量 仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光导天线辐射的太赫兹波主要采白天线上 所加的偏置电场，因此可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的太赫兹波。 但是，光导天线产生的太赫兹电磁波的频谱宽度较高。除了上述两种产生太赫兹 辐射的方法外，目前还有利用耿氏振荡器产生连续太赫兹辐射的方法。 1 1 4 太赫兹辐射的探测 太赫兹辐射的探测也有两种方法：光导天线法和电光采样方法。光导天线法 是太赫兹探测最早采用的方法，但是电光采样方法已逐渐取代了光导天线法。下 面着重对电光采样法进行介绍。 电光采样方法是利用激光脉冲在电光晶体中的线性电光效应进行电光采样 的。其基本原理为：利用激光光束和太赫兹电磁辐射脉冲共线经过晶面取向为 的电光晶体z n t e ，利用太赫兹电磁辐射脉冲的电场部分通过电光效应调制探 测晶体z n t e 的折射率球，通过测量载有太赫兹信息的探测光束偏振态的改变，得到 太赫兹电磁辐射脉冲的电场信息。光电探测是二阶非线性光学过程。其中，在与 应用场成比例的可见红外频率，应用电场引发光电材料中折射率发生变化。这个 折射率变化影响了经过相同材料的超短激光脉冲的圆偏振椭圆率。椭圆率的变化 通过把探测光束分为两个正交偏振成分的偏振光束分裂来测量。用一个均衡的光 6 第一章绪论 电探测器来测量这两个成分之间的强度差异，并且给出一个与电场直接成比例的 信号，通过改变太赫兹脉冲和探测激光脉冲之间的延迟，可以观察到完整的时间 依赖的电场。在电光探测中，z n t e 和g a p 这样的闪锌矿晶体是常用的。其中，z n t e 是非常合适的，因为它在远红外的折射率与近红外的折射率是可比的，这导致了 相对有效的太赫兹探测。 光导天线探测法是基于光电导效应的光电导取样方法。其基本原理是：利用 一束探测激光脉冲在半导体材料内部产生瞬间载流子，利用太赫兹的电场部分驱 动瞬间载流子，这样就能得到反映太赫兹的电场信息的电流，从而得到太赫兹信 息。 对于太赫兹探测来说，电光探测是最普遍的选择。但总的来说这两种方法各 有优缺点，光导天线探测太赫兹波时由于产生光电流的载流子寿命较长，但是z n t e 晶体在5 3 t h z 外存在横向声子吸收，因此其探测带宽较窄。电光采样方法的时间 响应只与所用的电光晶体的非线性性质有关，有较高的探测带宽。目前使用电光 采样探测到的频谱已超过3 7 t h z 。同时这种探测方法具有光学平行处理的能力和好 的信噪比，使得它在实时二维相干远红外成像技术中具有很好的应用前景。不过 这种方法存在调节比较麻烦的缺点。 1 1 5 太赫兹波的传输 太赫兹波的传播主要有两种方式：一种是准光学的技术，另一种是导波技术。 太赫兹波在自由空间的传播可以采用常规的光学技术。为了控制太赫兹波的 传播，可以利用抛物面镜和超半球硅透镜等光学元件准直或聚焦太赫兹波的传播， 近来，人们用硅衬底研制出的菲湿尔波透镜或菲湿尔波带片等二元光学元件取得 了更好的聚焦效果。由于金属和介质波导的导波技术存在一些明显的缺陷，致使 使用准光学技术制作的太赫兹波导的损耗相当大，在金属矩形波导中，i t h z 的太 赫兹波的损耗约为0 4 d b c m ，而除硅外的大部分介质材料在太赫兹波段的吸收损 耗也是非常大的。直到最近几年，显微机械加工技术的发展使得波导基片可以做 的极薄，而在这种结构中，太赫兹波的损耗也非常小，基本达到了准光学技术中 的要求。 经过近十几年的研究，在太赫兹器件方面已经取得了很大的进展，然而由于 太赫兹这一波段的特殊性，大部分材料几乎变得透明，依靠传统的手段，要用近 似透明的材料制作滤波器、波导、反射镜、激光器谐振腔等光学器件基本上是不 可能的，这也是人们对太赫兹器件大部分的工作还只是在实验研究上的一个重要 7 电子科技大学硕士学位论文 原因。人们从材料、结构等方面入手寻求突破，而光子晶体由于其独特的性能， 可以用它制作出各种功能器件，很自然地被人们考虑作太赫兹器件的材料。下面 我们将对光子晶体的特性进行分析。 1 2 光子晶体简介 1 2 1 光子晶体的概念 “光子晶体”( p h o t o n i cc r y s t a l s ) 这一概念最早是e y a b l o n o v i t c h 3 和 s j o h n 1 几乎在同一时间提出的。由固体物理学的知识我们知道，在半导体材料 中，原子的周期性排列会产生周期性电场，影响在其中运动的电子，使其形成能 带结构，并在带与带之间存在能隙。这一周期性结构由于势场的强弱对电子的运 动产生了直接影响。与此相类似，我们把具有不同介电常数的介质材料在空间按 一定的规律周期排列，就形成了所谓的“光子晶体。 由于存在周期性，在光子晶体中传播的光波的色散曲线将形成带状结构，如 果光子晶体的材料和结构搭配合理，就可能在光子晶体中形成类似于半导体禁带 的“光子禁带”( p h o t o n i cb a n d g a p ) ，也称作光子带隙。频率落在禁带中的光将 被严格禁止传播。如下图1 - 2 所示。 槲 爨 薯 1 璺 波矢 图1 2 光子晶体带隙图 第一章绪论 脚尊移藏 ( a ) 一维光子晶体( b ) 二维光子晶体( c ) 三维光子晶体 图1 3 光子晶体结构示意图 根据周期性维数的不同，可将光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体和 三维光子晶体，如上图卜3 所示。一维光子晶体相对比较简单，已经研究很多的 多层介质膜和光栅都属于一维光子晶体，二维光子晶体在第三维上依然采用折射 率导引，而在二维平面内利用光子带隙对光的传输进行限制，是目前最受关注、 发展最快的技术之一，本论文所要研究的正是太赫兹波段的二维光子晶体。三维 光子晶体可以在整个三维空间控制光波的传输，最具有应用价值，但是在光波长 的尺度内制作起来十分困难。相对来说二维光子晶体的研制要简单许多，也有较 大的应用价值，因此被受关注。 绝大多数的光子晶体都是人工制作出来的，但是自然界也存在天然的光子晶 体。蛋白石o p a l 就是一种天然的光子晶体材料。另外人们在帝王蝴蝶中的一种 ( k a i s e r - i - h i n db u t t e r f l y ，t e i n o p a l p u si m p e r i a l s ) 的翅膀上发现了第一种 图1 4 蝴蝶及其翅膀s e m 照片 9 电子科技大学硕士学位论文 天然的三维光子晶体结构。a r g y r o s 等人用s e m 、t e m 结合电脑技术研究了帝王蝴 蝶翅膀的具体结构，如上图1 - 4 所示，他们发现构成这种光子晶体的材料是一种 类似于纤维的角质蛋白质。它的原胞内结构为一四面体，晶格结构则属于三斜晶 系。 1 2 2 光子晶体的特征 光子晶本的许多概念都是类比于电子晶体嚣提毒的，它们之间有很多横类似的 地方，为了更好的说明光子晶体的概念，表1 - 1 对光子晶体和电子晶体做了比较。 表卜1 光子晶体和电子晶体特性比较 特性光子晶体电子晶体 结构 不同介电常数介质周期性分布周期性势场 e f t ) 一s ( 芦+ 夏)矿( 力= y ( 尹+ 太) 研究对象 光予的输运行为电子的输运行为 波色子 费米子 描述方程麦夷斯韦方程薛定鄂方程 高 b = 警跏， ( 一笔v 2 + 矿( 芦) ) 雪。i f ) 。心量。i f ) 二 l 本征矢 矢量磁场( 电场) 强度蜃( 芦，d标量波函数雯( 尹，f ) i 躲 蜃露净q 青( 零( 式玲= 零。( 芦了 ， 特征光子禁带在缺陷处的局域模式电子禁带缺陷态 表面态表面态 能带形成原因在不同介质界面处电磁场相干散射在不同势场中电子波相干散射的 的结果 结果 缝带理论的精确性霞光子之间无相互作用两基本正确因电予之间的排斥两不够准确 尺度电磁波( 光) 波长原子尺寸 色散关系 抛物线性：昱一k 2 线性：e k 详细阐明了两者之间的联系和区别。从中我们可以看出，光子晶体与半导体在构 1 0 篇一章绪论 藏戆物理思想土有着慷人的相戥，这样我翻皇然想到将爵究电子磊俸静方法用于 光子晶体的研究。 如前所述频率落在光子晶体的光予禁带中的光是被禁止传播的，由于自发辐 射的凡率与光子所在频搴的态的数匿成正魄，嚣频率落在光予禁带魏光子麴态的 数蠢为零，所以自发辐射的光酶频率处在光子禁带中的原子被放入光子晶体中时， 它的自发辐射将被抑制，自发辐射几率将为零，而对自发辐射的抑制作用能提高 许多光予和电子器件的性能口哪。 光子晶律麓捧裁囊发辐射也麓增强耋发辐射，这可豢通过增加该菝率光子嚣 态的数目米实现。例如可在光子晶体中掺入杂质，光子禁带中会出现品质因予非 常高的杂质态，这样就增大了态密度，自然也就实现了自发辐射的增强了。 光子晶体翦男一个重要特征是光子局域( p h o t o nl o c a l i z a t i o n ) ，在光予最俸 中，如果原有的属期结构或对称性被破坏，在光予禁带中就会出现相应的缺陷态， 和缺陷态频率相吻合的光子被局域在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置光强就将迅速 衰减，魏圈王一5 所示。据此可以通过在光子晶体中孳| 入点缺陷或是线缺陷寒涮作 高瑟质的光予要俸器件。 竟 子 态 密 度 1 ，2 。3 光子晶体应用 隰1 1 5 光子晶体禁带中的缺陷态 频率 通过光子晶体特征的描述我们可以知道光子晶体具有的特性使褥它能有广泛 靛瘟震范霭。光子晶体器件与簧统器件福跣有许多优越牲稚嚣。 1 微波天线。光予晶体的第一个实际应用是在微波通信领域被用来制作微波 天线。偶极平面微波天线无论是在军事领域还是在民用领域均有_ ； e 常广泛的应用。 传统的微波天线是将偶极平面天线壹接剖佟在介质基底上，在发射过程中袅予大 电子辩技大学硕= ：学位论文 量的能量被天线基底吸收，因丽存在效率低的闻题。如聚将基底换襻频率在所震 微波频段的光子晶体，当发射微波时，由于微波不会被撼底吸收，可以实现无损 耗全反射，把能量全部发射出去。1 9 9 3 年美雹研制成了第一个以光予晶体作为基 底的偶辍平面徽波天线。 2 光子晶体反射镜。由于光子禁带的存在，当入射光的频率落在光子频率禁 带时，这一入射光将被全反射回去，利用光子晶体的这特性可以制作高品质的 光子磊体全反射镜。特别是在短波长区域，金属黯光波豹损耗极大，两_ 介质露光 波的吸收损耗挺l j 锻小，因此用介质材料翎俸的光子晶体全反射镜的损耗极小。此 外与金属反射镜相比光子晶体反射镜还有不易损坏的优点。由于金属的趋肤效应， 金属反射镜对光波的吸收集中于极薄兹表屡肉，这样将使金属反射镜袈层的温度 窑翕过高，从丽缀霹能造成金属反射镜翦表层变形。丽光子晶体反囊砉镜对竞渡翁 吸收分布在几个波长的范围内，因此吸收的热量会分散禚较大的体积内，于是和 金属反射镜相比反射面的温度升高要小些，这样一来光子晶体反射镜的表面就不 容茹被烧坏。 3 光子晶体微谐振腔。我们已经知道逐过在光子晶体中弓| 入缺陷可以使光予 禁带中出现缺陷态，如果引入的是点缺陷，则可以制作成高品质因数的光子晶体 谐振腔。微谐振腔的铡终对光麴集成十分重要，鑫蔼也倍受入们的关注。毽由于 徽谐振腔辫尺寸特别小，使用传统谐振腔的制作方法来铡造是相当困难静，另外 传统的金属谐振腔还存在损耗大，品质因数小的问题。丽光子晶体微谐振腔的品 质因数可以达到很高的要求，是其它谐振腔无法达到的。 | 辱。光子鑫体窄带滤波选频器。剥露光子晶体翁竞子禁带特毪爵激实现对巍子 的极优良的滤波性能，这是由予光子晶体的滤波带宽可以做的比较大。例如，钻 石结构的光子晶体滤波带宽可以做到中心工作频率百分之二十。s g u p t a 等人所 提凄的金属一介质复合光子晶体可以蒋频率接近于o h z 到红努波段的电磁波完全 滤掉。光子晶体的这群大范罨滤波功麓是传统滤波器难以实现的。此外，如果在 光予晶体中引入适当的缺陷，使其在光子禁带中产生高晶质的缺陷态，就可以利 用缺陷态来制作离晶质的极窄带选频滤波器。 5 嵩效发光二极警稻低溺值激光振荡。蔷遂的发光二板管发竞中心发出麓先 经过包围它的介质的无数次葳射，只有小部分光能有效地耦合出去，这使得发光 二极管的光辐射率很低。如果设计一块光予频率禁带与发光二极管发光中心的自 发辐射频率耜重合麓光子磊体，并将荬萋入发光二投管的孛心，那样的话发光孛 心发懑的光不会遴入该光子晶体中而会沿着设计好的特定的方向辐辩邂去。采用 1 2 第一章绪论 光子晶体后，可以将二极管的效率提高近百分之八十。如果采用只允许单一频率 的光波穿透过的光子晶体作为二极管的谐振器的话，该发光二极管只能发出单一 频率和具有良好相干性的类似激光特性的光，并且发光效率也会得到很大提高。 另外在激光中引入光子晶体可以实现低阈值激光振荡。因为光子晶体对位于其光 子频率禁带范围内的电磁波具有抑制作用，当光子晶体的光子禁带频率与激光器 工作物质的自发辐射频率一致时，激光器中的自发辐射就将受到抑制。这使得激 光器的工作物质的自发辐射引起的损耗大大降低，从而也使激光振荡的阈值变得 很低。 6 光子晶体波导n3 。1 目。传统波导在大角度弯折时，散射损耗迅速增大。而光 子晶体波导理论上可以使光波产生无损的9 0 度弯折。此外与传统波导相比光子晶 体波导还有尺寸较小的优点，这正适合当前大规模光子集成的要求，避免了用常 规技术将传统波导做到和传统集成电路中半导体器件一样小的难题。利用光子晶 体制作的光子器件，如波导、复用解复用器、滤波器等，与常规波导器件相比可 以缩小1 0 0 到1 0 0 0 倍，自然成为大规模光子集成的首选设计方案。 图1 - 6 光子晶体太赫兹弯波导 而用光子晶体制作波导理论上也并不复杂，只需在光子晶体上引入线缺陷n 1 刀即 可。如利用光子晶体来制作太赫兹波传输波导时，只需要在光子晶体中制作出线 形缺陷就可以引导太赫兹波朝着所希望的方向传播。当线形缺陷是直线时就获得 直波导，当线形缺陷是弯曲线时就获得弯曲波导。由于光子晶体内部是对波禁止 的，因此电磁波只能沿着线缺陷走，从而形成了沿缺陷传播的波导，如图卜6 所 示。波在拐弯时的损失是可以做得很小的。 电子科技大学硕士学位论文 1 ，2 4 光子晶体研究现状 美国半导体协会预计，用以光子晶体为代表的介质结构的信息技术硬件的革 命完全可以与3 0 多年前用微电子集成芯片取代晶体管所引发的那场革命相提并 论。基于光子晶体的应用前景，世界一流大学和著名跨囡公司都纷纷开展理论研 究和技术攻关。为此美国制定了国家纳米技术战略，德国的1 1 1 3 “p h o t o n i c c r y s t a l 光予晶体计划，英国也不甘示弱，创立了e p s r c 光予晶体项尽。麻省理 工大学，加利福尼亚大学，东京大学，朗讯，n t t ，安捷伦和康宁等著名大学以及 跨国公司纷纷加入到新一代的光子集成功能器件的研制当中。英国m e s o p h o t o n i c s 公司制定了p i c c o 计划，宣称不久以后将推出具有星程碑意义的基于s o i 光子晶 体的光子集成产品。 许多著名国际公司也都开发出了光子晶体器件的设计软件，美国r s o f t 公司 的b a n d s o l v e r 及f u l l w a r e ，澳大利亚、法国和德国联合开发的v p ia p p o l o p h o t o n i c ，o p t i w a v e 公司开发的o p t i f d t d 等，本谍题就是要用o p t i f d t d 对光子 晶体传输器进行设计仿真的。虽然这些软件可对二维及三维的光予晶体进行带隙 分析及器件设计，但是还存在费用较高的问题，在模拟速度及规模方面也有待于 改善。 1 3 课题工作安排 本课题研究的是太赫兹波段的二维光子晶体传输器，对论文的