微带滤波器开题报告

1、 宁波理工学院毕业论文（设计）开题报告（含文献综述、外文翻译） 题 目 基于旋磁光子晶体的单通道滤波器设计 姓 名 张良俊 学 号 3080431079 专业班级 08通信工程2班 指导教师 王卓远 学 院 信息科学与工程学院 开题日期 2012年03月13日 第1章 文献综述基于旋磁光子晶体的单通道滤波器设计1.1 光子晶体1.1.1 光子晶体的概述光子晶体的应用研究是近年来一个很前沿和很热门的话题，同时它也是一个较为深奥的物理概念。然而正如20世纪初人们对硅这种半导体材料的懵懂一样，也许在21世纪末的时候，你将对这个名词耳熟能详。我们知道，在过去的一个世纪，电子技术发展迅速，几乎进入了人们

2、生活的每一个方面，而其中最关键的因素要得益于许多半导体材料的应用。利用它们的一些区别于导体和绝缘体的特殊的性质，人们制造出了许多的现代固体电子与光电子器件。收音机、电视、计算机、电话、手机等等无一不再应用着半导体制成的芯片、发光二极管（LED）等等元件。而这些给我们带来这么多便利的半导体材料大多是一些晶体。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，如：光在介电材料里的传输速率和带宽都远远大于电子在金属中的传输速率和带宽1。但光子的控制却相当困难，这使得

3、光器件的研究和应用难以取得重大的进步。1.1.2 光子晶体的提出1987年，E.Yablonovitch2在研究抑制自发辐射时，提出了“光子晶体”（Photonic crystal，简称PC或PhC）的概念。几乎同时，S.John3等人在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。它是不同介电常数的介质在空问上周期性分布的人工材料。按照光子晶体中介质周期性分布的维数，可以分为一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）光子晶体（如图1.1）。当电磁波在光子晶体中传播时将固介电常数的周期性变化而发生布拉格散射，进而导致光子能带结够（Photonic bands structure）的形成，能带（Photo

4、nic bands）与能带之间可能存在光子带隙（Photonic band gap，简称PBG：也称为光子禁带）。光于晶体的能带结构特性决定了光子晶体具有不同于其它介质材料的特性。图1.1 光子晶体的结构示意图1.1.3 光子晶体的原理光于晶体最显著的特性是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的，带隙的产生和大小与光子晶体的晶格结构、介质单元的几何形状、介质的介电常数及介质填充比等有若密切的关系。总起来说，介质介电常数比越大，产生带隙的可能性就越大。第一个具有全带隙的三维光子晶体结构是由美国的K.M.Ho等人首先从理论上提出来的4，而美国贝尔通讯研究所的E.Yablonovitch等

5、人则制造出了世界上第一个具有完全光子带隙的三维光子晶体5。与半导体类似，完美的光子晶体用处并不大。在实际应用中，往往需要引入缺陷来制作各种各样的光学器件，比如光波导、微谐振腔等。引入的缺陷破坏了光子晶体原有的周期性。在光了带隙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将迅速衰减。光子晶体的带隙特性说明光于晶体可以作为某频段电磁波的绝缘体，同理，还可以把光子晶体作为其它频段电磁波的导体。研究人员还发现，特定结构的光子晶体在某些频率范围内存在不同寻常的超强色散特性，如超棱镜、自聚焦现象等。Lin等人首先发现并在毫米波段证实了这些现象的存在。K

6、osaka等在一种称为“autocloned”的光子晶体结构中证明了在光波段存在超棱镜现象。这种超棱镜现象可以用在光的自聚焦和波分复用等方面。由光子晶体制作的超棱镜的分光能力是常规棱镜的1001000倍，而体积只是常规的百分之一。近几年来，光子晶体的负折射现象又成为光子晶体的研究热点，而光子晶体的这种负折射特性也有很多潜在应用，如自聚焦、成像等。2003年，关于光子晶体负折射现象的实验结果在Nature相继报道，Cubukcu等在微波波段证明了光子晶体的负折射特性，2008年Jason等人在可见光波段也证明了光的负折射现象。目前光子晶体在电磁隐形、绕行效应及高效发光二极管等方面也成为了研究的热

7、点6。1.1.4 光子晶体的应用光子晶体称为光的半导体，它提供了种全新的光子控制机制。由于其独特的性质，光了晶体可以制作全新概念和以前不能做的高性能光学器件，因此它极有可能取代传统的光学器件。随着光子晶体研究在理论和实验两方面的展开。研究成果不断涌现，特别经过近二十年的发展，在光子晶体波导、光子晶体光纤、光分束器、光滤波器等器件的研究中己经取得了巨大的成果。（1） 光子晶体波导光子晶体中的光子带隙也可以应用到光子晶体波导，这可以通过住光子晶体中引入线缺陷的方式实现。光了晶体波导不同于传统介质光波导的特点是其通过光子带隙控制光波传导（传统介质光波导是通过全反射方式控制光波传导）。因此在传统介质光

8、波导中不可能实现的90垂直弯转，可以成功的在光子晶体波导中实现。在文献5中，作者从理论上证明：在由介质柱组成的正方晶格光了晶体中，采用两个相互垂直的波导可以实现光的90弯转。进而，研究人员在六方晶格平板光干晶体中实现了60和120的弯转。Yariv提出了种新颖的光学波导，耦合谐振腔光学波导（CROW，Coupled-resonator optical waveguide），它是由一系列光学共振腔耦合而成的，每个共振腔是一个点缺陷二维光子晶体7。传统的波导器件即使只有5的弯曲也会产生极大的能量损失（约50）。光子晶体波导器件可以使弯曲度很大而能量损失很小，这种弯曲型波导器件更便于集成化6。另外可

9、以想到的应用是利用光子晶体波导，指光子晶体光纤（Photonic crystal fibre,PCF），实现长距离光信号传输。传统光纤通过内全反射实现对光的控制，它是由高折射率纤芯和低折射率包层组成的。PCF是一种由单一介质（通常为石英玻璃，也可以为塑料）构成，并且在二维方向上呈现周期性紧密排列（如周期性六角形等）、而在第三维方向（光纤轴向）基本保持不变的波长量级空气孔构成的微结构包层的新型光纤。与G652光纤不同，PCF是由石英玻璃和空气孔微小结构组成的光纤，其又可以分为实芯光纤和空芯光纤，前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛细管集束成棒加热拉制成的，而后者则是由石英玻璃管和石英玻璃毛细管集束成棒

10、加热拉制成的。1996年，Russell根据光子晶体传光原理制作出了第一根PCF。它的纤芯为二氧化硅（silica），包层为二氧化硅制作的光子晶体结构。但是这种光子晶体的光波机制仍然是基于内全反射效应。因此，人们继而设计了空心的PCF。在这种光纤中，纤芯折射率低于包层，导波机制不可能是内全反射效应。此外，基于二维光子晶体也可以设计PCF。这种PCF不同于空心PCF之处是，它直接在二维光子晶体结构中引入缺陷，而不是光纤中心引入空气柱。 PCF的结构和性能，使得PCF作为光传输介质和光器件具有许多诱人之处。实际上，人们通过调整纤芯直径、包层空气孔直径和包层空气孔之间的距离来达到制造出分别具有低衰减

11、、高色散、非线性效应小（大模场直径或者大有效面积）、保偏等性能的PCF的目的。(2)光子晶体谐振腔光子晶体谐振腔的制作对光集成有着重要的意义，近年来受到广泛关注。光子晶体微谐振腔的品质因子（Quality factor）可以做得很高，这是采用其他材料制作的谐振腔无法实现的。在光子晶体中引入点缺陷，相当于在光子禁带中的某些位置引入光子局域态。属于这些位置的光场被限制在非常小的点缺陷中，可以产生很高的能量密度。光子晶体谐振腔的制作有两种方式，一种是用两个光子晶体反射镜构成法布里玻罗腔；另一种是利用缺陷态光子晶体的光子局域和谐振特性来制作谐振腔8。描述光子晶体谐振腔的一个重要参数是品质因子，品质因子

12、越大则对应的光子晶体谐振腔的谐振谱越窄。理论上，光子晶体谐振腔的品质因子可以达到10的6次方量级，而实验上也观察到品质因子为600000。(3)光子晶体滤波器在波分复用光通信系统中，光滤波器是处理某个特定信道或者多个信道光信号的关键器件。而在光子晶体结构中，既可以应用光子晶体波导和谐振腔之间的相互耦合作用构造高品质的选频滤波器9，也可以使用相互耦合的波导来制作，此外应用光子晶体结构的超棱镜现象可以制作波分复用器。如图1.2所示，结构上最简单的光子晶体滤波器建立在一维周期性结构上。方法是在这种结构中引入点缺陷（即谐振腔），实现对特定频率的选频功能。图1.2 一维光子晶体滤波器结构S.Fan等人以

13、及Manolatou等人提出的结构是在图1.3中给出的结构。它在两个平行波导之间放置单个（两个）多模（单模）谐振腔。两个谐振腔之间的距离需要优化以实现在特定端口相干加强，其它端口相干相消。此外，这两个单模谐振腔也可以由一个支持多模的谐振枪来替代。并要求其至少支持两个谐振模，即：一个奇模和一个偶模。实现这些要求的条件是：必须设计两个分别支持一个奇模和一个偶模的单模谐振腔（或者支持一个奇模和一个偶模的多模谐振腔）且这两个谐振模具有相同的线形（line shape）。此外，其他研究人员也提出了类似的光子晶体滤波器结构。图1.3 四端口结构的滤波器 以上Fan等人的设计是四端口结构的滤波器。如果移去其

14、中的一个波导，则形成了侧边耦合谐振腔滤波器结构。在此基础上，可以设计另外一种滤波器设计方案，即三端口结构滤波器。这种三端口的滤波器设计包括侧边耦合的光子晶体谐振腔和两个相互垂直（或成某一角度）的波导，而谐振腔被放置在两个波导中间。为了实现高效率滤波功能，必须在导波波导中引入反射机制。如果在同一光子晶体结构中，反射机制可以由相同结构的光子晶体结构实现。此外反射机制也可以由可变宽度波导或者异质结光子晶体实现。而最新提出的方法则是使用侧边耦合谐振腔实现反射机制。这种三端口结构可以比四端口结构更容易地扩展到图1。4所示的多信道滤波器。方法是选择不同尺寸（谐振频率）的单信道滤波器，再级联这些单信道滤波器

15、来实现多信道滤波功能。图1.4 左图：基于三端口结构的多信道滤波器结构；右图：左图结构的传输谱图1.5 Fabry-Perot腔带通滤波器图1.5给出了一种fabry-perot腔带通滤波器。在这种结构中，Fabry-Perot腔的部分反射面是通过在光子晶体波导中放置适当的光子晶体缺陷形成的。对这种结构，必须仔细设计光子晶体腔的反射率拳相位以及群光长度以确定谐振频率，自由谱范围以及带宽。因此这种设计很困难。图1.6 高阶光子晶体谐振腔滤波器在另外一篇文章中提出一种高阶光谐振腔滤波器。在这种结构中，耦合谐振腔被直接嵌入在二维光子晶体波导中。文章中作者使用等效电路方法设计了一个三阶切比雪夫滤波器。

16、滤波器的中心频率为193.55THz，带宽为50GHz，通带内ripple为0.3dB。因此，这种滤波器适用于具有100GHz信道间隔的WDM光通信系统。图1.7 （a）周期一性集联谐振腔；（b）图（a）结构的反射谱Xu等人报道了一种包含线波导和谐振腔的带阻滤波器。在这种滤波器设计中，谐振腔周期性地排列在波导两侧。他们使用近似于量子散射理论的方法分析了波导和面耦合于波导的谐振腔之间的耦合作用。而在光子晶体结构中，则是图1.7（a）中给出的光滤波器结构，其包含一组周期性集联的谐振腔。每个谐振腔中都被移去了一个介质柱并放置在单模光子晶体波导侧面。作者采用的分析方法是基于平面波的传递矩阵法。但是，这

17、种反射滤波器的反射谱中存在旁瓣。这种旁瓣在实际应用如波分复用系统中是不期望的。这种包含侧边耦合谐振腔的光学系统类似于环形谐振腔（Ring resonator）光滤波器或者分布式反馈（Distribured feed back）结构。因此，切趾技术也可以用来抑制反射谱的旁瓣以优化反射谱。在光子晶体波导光栅中，研究人员已经使用切趾技术实现了对反射谱中旁瓣的抑制【10】。 这里讨论的三端口和四端口滤波器结构都是将谐振腔放置在波导侧面，在光子晶体二维平面内实现滤波功能。Noda等提出了图1.8左图中的一种滤波器结构。在这种结构中，谐振腔被放置在二维平板光子晶体波导的侧面。光信号通过消逝波隧道效应从波导

18、耦合到谐振腔并直接在垂直二维平板方向上滤波输出。图1.8 左图：Noda等提出了滤波器结构；右图：机械可切换光子晶体滤波器结构此外，Fan所在研究组，介绍了一种机械可切换光子晶体滤波器结构，它可以作为一个平顶反射滤波器或者全通传输滤波器。如图1.8右图所示，这种结构包含两个光子晶体平板。通过调节这两个平板之间的距离，可以控制正入射光信号的传输特性。此外使用单个光子晶体平板，可以得到一种全通或者平顶反射滤波器。 上面介绍的光子晶体滤波器都是建立在光子晶体波导和谐振腔之间的耦合基础上，实际上直接利用耦合的波导也被用来实现光子晶体滤波器。如定向耦合器滤波器，双向耦合器滤波器。对比Fabry-Pero

19、t腔，这个光子晶体结构在谐振时反射光信号，而Fabry-Perot腔则在谐振时传输光信号。在文献中，则研究了不同光子晶体波导之间的反向耦合。图1.9 左图：同向耦舍波导；右图：反向耦合波导另外一种实现滤波功能的机制是利用光子晶体的超棱镜效应。常靓的棱镜对波长相近的光几乎不能分开，但用光子晶体做成的超棱镜分光能力比常规韵要强100-1000倍，体积却只有常规大小的百分之一左右，是一种很有前途的制作波分复用器的材料。图1.10 集成一维光子晶体滤波器结构的超棱镜结构图1.10中是利用超棱镜效应并集成一维光子晶体滤波器的光结构10。1.2 光子晶体滤波器1.2.1 光子晶体滤波器的概念光滤波器是光子

20、技术的基本元件之一，在光通信和光学信息处理方面有着广泛的应用。光滤波器的质量和体积等参数直接影响到它的应用价值。光子晶体是90年代初出现的一种新型的人工结构材料，它是由高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间上作周期交替排列而得到的，其晶格常数与工作光波的波长为同一个数量级。光子晶体具有光子频率禁带，常简称为光子禁带，频率在禁带区内的光子是不能在光子晶体中存在的。因此，一块光子晶体就是一个自然的理想带阻滤波器。而一维结构光子晶体滤波器，在设计上具有简明性、系统性，以及设计计算量少等特点，易于设计特宽的带阻滤波器和高品质因素的窄带滤波器，也易于进行光滤波。利用金属材料制作的光子晶体在某一频率

21、之下全是禁体中制造缺陷或者使光子晶体的晶格常数产生微扰的方法，可以实现窄带滤波。光子晶体滤波器的特点是，滤波性能远优于普通的光滤波片，其阻带区对透过光的抑制可以容易地达到30dB以上，而且光子晶体滤波器的带阻边沿的陡峭度可以容易做到接近于90度。另外，由于光子晶体都是使用对光波几乎没有损耗的介质材料制成的，所以光子晶体滤波器对通过波段的光波的损耗非常小。1.2.2 光子晶体滤波器的研究现状由于光子晶体滤波器的广阔应用前景，在近几年来已经吸引了广大学者进行研究实验。纵观当前的研究领域，主要有以下几个大的研究方向：首先是以日本学者Yoshihiro Akahane为首的研究团队致力于高Q因子谐振腔

22、滤波器的研究，已经使用硅基材料制成了二维光子晶体微腔谐振器，其Q值达到了45000。并且还设计了高Q值的光滤波器，其设计结构如图1.11所示。图1.11 高Q值光滤波器结构图在此研究的基础上，Bong-Shik Song等人设计了通过改变不同段晶格常数的办法实现了异质结构多信道光滤波器，其结构如图1.12所示，但该方法的不足之处是若想实现各信道间隔很小，那么器件各段晶格常数相差会很小，在光波波段实际的制作工艺上有一定的困难。图1.12 异质结构光子晶体多信道滤波器结构图目前研究最多是利用二维光子晶体波导和谐振腔之问的耦合作用，来实现滤波。主要有台湾Chih-Wen Kuo等人，设计了六信道光子

23、晶体滤波器。其结构如图1.13所示，另外韩国Sangin Kim等人利用具有反射反馈的三端口结构设计了五信道光子晶体滤波器。其结构如图1.14所示，其滤波效率达到了96。Qiu Min等人主要致力于利用谐振腔的耦合作用实现光的滤波。图1.13 六信道光子晶体滤波器示意图图1.14 具有反射结构的光子晶体滤波器还有用液晶作为光子晶体的缺陷，利用液晶两端加上不同电压可以改变液晶的相对介电常数的特性，在液晶缺陷的两个端面加上可调电压，通过调整电压改变液晶分子的朝向，进而改变了液晶缺陷的相对介电常数，来实现可调多信道滤波的要求。该滤波器结构如图1.15所示6。图1.15 液晶可调光滤波器结构示意圈 该

24、方法虽然可以实现多信道的滤波效果，但可操作性不强。结束语本论文的研究重点是通过模拟仿真计算，来设计具有高传输效率的光子晶体多信道光滤波器。该器件信道的传输效率要达到90%以上，并工作于GHz级别。参考文献1 梁伟军，王智，江中澳.光子晶体及其在光通信中的应用，光通信技术J， 2003，（6）:33-35.2 Eli Yablonovitch，Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and ElectronicsPhysical Review letters，58，20，P2059-2062(1987)3 John.s，Stro

25、ng localization of photons in certain disordered dielectric superlatticesJPhysical Review Letters，1987.58(23):p.2486-24894 Ho.K.M.，C.T. Chan and C.M. Soukoulis，Existence of a photonic gap in periodic dielectric struturesJPhysical Review Letters，199065(25):P3152-31555 Lin.S.Y.， etalphotonic crystals

26、for micro lightwwave circuits using wavelength-dependent angular beam steeringJApplied Physics Letters, 1990.74:p.13706 Haisong Wang，Fanmin Kong，Kang Li，Liangmo MeiHighly efficient photonic crystal-based multi-channel drop filtersProcOf SPIE，vol6781,678152,(2007) 7 A.Yariv，Y.Xu,R.K.Lee，and A.Scherer

27、，Coupled-resonator optical waveguide:a proposal and analysis，Opt.Lett.24,1999, pp.711-7138 E.Yablonovitch，T.J.Gmitter，R.D.Meade, A.M.Rappe，K.D.Brommerand J.D.Joannopoulos， Donor and acceptor modes in photonic band structure，Phys.Rev.lett.67, 1991, pp.3380-33839 J.C.Chen，H.a.Haus，S.Fan，P.R.Villeneuve

28、，and J.D.Joannopoulos, Optical filters from photonic band gap air bridges， J.Lightwave Technol.14, 1996, pp.2575-258010 N.Yokoi, T.Fujisawa,K.Saitoh, and M.Koshiba, Apodized photonic crystal waveguide gratings, Opt.Express 14,2006, pp.4459-4468第2章 开题报告基于旋磁光子晶体的单通道滤波器设计2.1 选题的背景与意义人们对信息传输速率和通信容量需求的不断

29、增加极大地刺激了光通信技术的发展。虽然光纤带宽的利用率得到大大提高，但全光网络技术仍然停滞在一个较低的水平。目前的全光网中虽采用了波长交换、波长路由等技术，但光的作用还仅限于信息传输，更重要的信息处理（光分组的交换、路由等）依然采用电子技术实现，光“智能”还远没有达到电“智能”的水平。“以光子的形式处理信息”不仅是人类追求的技术梦想，也是未来社会发展的现实需求。如何研制开发提高通信速度的关键技术和器件已经成为光通信研究的发展趋势。工程技术上的重大突破往往来源于新材料、新器件的诞生，信息技术的发展也是如此。新材料一直是人们研究的热点，上世纪半导体材料的发现导致了一场轰轰烈烈的电子工业革命，我们的

30、科技和生活水平有了一个突飞猛进的跨越，并藉此进入了以计算机和信息高速公路为标志的信息时代。信息业的梦想之一，是利用光子替代电子传递更大容量的信息，这是因为光子有着电子所不具备的优势：速度快、彼此间不存在相互作用。一旦实现这点，信息的传输速度将快得无法想象。最近光子晶体的出现将可能使这种状况变为现实。由光子晶体做成的器件可以如人所愿地控制光子的流动，就像半导体中的电子一样。另外还可以很好的和传统的半导体工艺、集成电路技术相结合，光子晶体是实现光子集成的突破口。光子晶体将成为未来全光集成电路和各种新型光子器件的物理基础之一。这就是为什么光子晶体越来越引起人们广泛关注的原因。近年来光子晶体的研究在世

31、界各主要国家都成为了科学研究领域的一个热门课题。2.2 设计目标 当前很多研究人员已经利用光子晶体制作了很多种光滤波器，但高传输效率光子晶体多信道滤波器的设计还有待更深入的研究。本文在研究光子晶体组成各要素对晶体特性影响的基础上，并根据时域耦合模理论导出了波导与谐振腔问高效耦合的条件，设计了正方晶格光子晶体对称式谐振腔双信道光滤波器，并进行了仿真分析，经过详细分析得到了影响滤波效率的主要因素和提高滤波效率的参数设置方法及规律。通过改进光子晶体光滤波器结构参数的设置，滤波器各信道的滤波效率均超过了90%。该滤波器的优点是结构简单、设计方便、滤波效率高、体积小易于集成化设计。这为设计和制作高效光子

32、晶体多信道滤波器提供了很好的参考依据。2.3 二维光子晶体带隙结构及缺陷态二维光子晶体 在X， Z两个方向 上的介电常数具 有周期性，而在Y方向 上的介电常数保持不变，相比三维光子晶体，其制作和分析更加 容易，也便于 应用在光学集成上，因此，现在的主要研究还是集中在二维光子晶 体上。二维光 子晶体上主要分为两大类：一类是二维正方形光子晶体，另一类是二维三角光子晶体。横截面形状对光子带隙结构的影响1。2.3.1 带隙结构光子能隙分为完全能隙与不完全能隙2。所谓完全能隙，是指光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，并且每个方向上的能隙相互重叠；不完全能隙，相应于空间各个方向上的能隙并不完全重叠，即只

33、有在特定方向上有能隙。要使空间各个方向上的能隙相互重叠，它们的能隙宽度要足够大。 （1）横截面形状对光子带隙结构的影响 图2.1所示为二维光子带隙结构图，该晶体由介质圆柱周期性排列而形成1。从其带隙结构可以看出，TE波存在频率为0.30.48()的光子禁带(a为重复结构周期)，在此范围内没用任何的TE波传播；TM波的禁带频率为0.860.95( )。 图2.1 圆形截面二维光子晶体及其带隙结构3与圆柱截面的光子晶体相比，TE波多了一条频率为0.60.65()的光子禁带，其光子禁带的范围明显加宽。可见，通过变化介质棒横截面的形状就控制二维光子晶体带隙结构，这一特点为光子晶体器件的设计带来巨大的发

34、展空间。 （2）介质折射率差对光子带隙结构的影响 改变晶体传输介质折射率差也可以改变其带隙结构。图2.2为介质圆柱在空气中排列而成的二维光子晶体的带隙结构图，其折射率差为1.98(介质圆柱与空气折射率的差值)。从其带隙结构图中可以发现，TE波存在一条频率为0.320.45()的光子禁带，宽度大约是0.13()。改变晶体的折射率差为2.742，其带隙结构如图2.3所示。改变数值后，TE波禁带的范围是0.250.41()，宽度大约0.15( )。对比图2.2和图2.3，二维光子晶体的介质折射率差从1.98变为2.742，TE波禁带的宽度增加了0.02()。通过以上的分析可知，在其它条件不变的情况下

35、，改变光子晶体的介质折射率差可以改变其带隙结构，当差值增大时，光子禁带的宽度会增大4。 图2.2 介质折射率差为1.98的二维光子晶体的带隙结构3 图2.3 介质折射率差为2.742的二维光子晶体的TE/TM带隙结构12.3.2 光子晶体缺陷态分析在第一章中，曾介绍过光子晶体具有的两个特征：光子禁带和光子局域，光子局域是基于理想光子晶体中引入点缺陷，即在禁带中可 能会存在一个或多个的振动模，称之为缺陷模。多个点缺陷在光子传输方向上的 直线排列就构成了线缺陷，那么光波就会被局域在点缺陷处，或只能沿着缺陷的 路径进行传播。可以利用点缺陷把光波俘获在某一个特定位置，使其无法向外传播，这相当于微腔，同

36、时也可以利用线缺陷引导光波的传播，这一原理被应用在波分复用、光波导等方面。由于缺陷态潜在的应用价值，目前对缺陷的研究已经开展了一系列的工作，研究的光子晶体有一维(层次)的、二维的和三维的，大部分报道都是理论方面的，理论上计算缺陷模有许多方法，包括平面波展开方法、格林函数方法和 有限时域差分方法等5。 2.1.1 光子晶体波导光子晶体波导是在完整光子晶体去掉一排或者几排介质柱构成的，图2.4是光子晶体波导，该波导为一个为90的弯曲波导。背景为空气，介质柱折射率n=3.4，介质柱半径r=0.2a，a为晶格常数。以方框内的介质柱为超元胞，运用平面波展开法进行计算，得到光子晶体波导TE模色散曲线，如图

37、2.5所示。从图中可以看到，阴影部分为允许带，位于该带中的频率的模式是泄露模，带的上部分是导带，下部分是价带。光子带隙分布在归一化频率 从0.261到0.450之间，其中 为真空中的波长。由归一化频率0.340延伸到0.446之间只存在一种传播模式。图2.6是它的导摸场分布图，波矢 ka / 2 =0.25，导摸频率 a / 2c =0.341，从图中可以看到，导模被邻近的介质柱束缚着，部分能量沿介质柱传播3。 图 2.7 是二维光子晶体波导电场模拟图。以高斯波作为入射波，归一化频率a / =0.4，从 Input 端口入射，光波被限制在弯曲波导内传输，从出口端输出，能量损耗很小。图2.8是禁

38、带区频率光波的透射谱，从图中可以看到，光波透射率很高，大部分的光波可以达到90%以上，这就有利 于光波的传输，并且制作光学器件1。 图2.4 光子晶体波导 图2.5光子晶体波导色散曲线 图2.6 光子晶体波导模场分布 图2.7光子晶体波导电场分布 图2.8 光子晶体波导透射谱 2.4 具体实现2.4.1 光子晶体滤波器的理论分析对称模式谐振腔与波导的耦合结构，如图2.9所示图2.9对称模式谐振腔与波导的结构示意图图中表示端口传输系数，为波导中各端口的信号，R为反射系数，d为两谐振腔之间的距离。根据耦合模理论有6, (1) (2)式中 a，b分别表示腔体a和b的信号幅度，分别表示两腔体的耦合频率

39、，分别表示由于腔体自身损耗所得腔体的Q值，分别表示从腔体耦合到端口1，2，3的Q值。分别是腔体b与耦合波导和主线波导耦合系数的相位。是腔体a与主线波导耦合系数的相位，是主线波导中的波传播常数，d是腔体a与腔体b参考面之间的距离7。为了简化分析过程，并根据实验需要，我们只考虑从端口输入（）。可得， （3） （其中，）令且，根据（3）可以导出 当，时，可以使得传输效率达到100%。理论上容易满足7，由于，只要选择合适的d，就可满足8。2.4.1 铁氧体材料铁氧体（YIG）属于非金属类磁性材料。通常情况下，它的介电常数为15，磁导率为。当电磁波通过由恒定磁场（）偏置下的氧体时，磁导率是一个张量，呈现

40、各向异性。高频下磁化铁氧体的磁导率是一反对称二阶张量 式中， 对于铁氧体的磁导率 =14，=12.4其中，旋磁比，是一常数， 为饱和磁化强度。2.4.1 滤波器参数设计光子晶体采用正方晶格圆形介质柱结构，晶格常数为a=0.025m，介质柱半径R=0.2a，介质采用Si材料，介电常数为11.56，背景为空气。波导通过去除一行介质柱实现，谐振腔通过改变缺陷介质柱半径和材料来实现9。这里使用铁氧体材料，它的相对电导率=15，而磁导率在加磁场和不加磁场的情况是不同的。通过不同缺陷介质柱的半径来实现不同信道的滤波。两个缺陷介质柱半径分别取0.052a、0.062a为例。为达到最大传输效率，根据上面的理论

41、推导，这里令两谐振腔之间的距离d=5a。由于去掉一行介质柱面形成的光子晶体波导的宽度比较大，所以在传输波时经常产生多模现象，这对波的耦合十分不利。本文通过改变波导与相应谐振腔之间波导边缘介质柱的半径来提高波的传输效率10。2.5 进度安排进度安排如下表2.1所示：表2.1 毕业设计进度安排表起始年月进度目标要求2012.01.052012.01.31查阅文献，撰写报告和文献综述的初稿2012.02.012012.02.28对开题报告和文献综述初稿进行修改，外文翻译2012.03.012012.03.13撰写开题报告，完成开题答辩2012.04.012012.04.30完成仿真设计2012.05

42、.012012.05.31论文的撰写与整理，提交毕业论文，答辩23参考文献1 L.Shen , S.He, S.XiaoLarge absolute band gaps in two-dimensional photonic crystals formed by large dielectric pixelsJ. Phys Rev B, 2002, 66(16): 165-3152 刘素兰，章愈之，胡行方.光子晶体的能带结构、潜在应用和制备方法J.无机材料报,2001，16(2):193-1993 周梅，陈效双，王少伟等.波段的 FP 光子晶体滤波器J.物理学报,2006, 55(7): 37

43、25-37294 Chow E, Lin S Y,Johnson S G,eta1Three-dimensional Control of Light in a Two-dirnentional Photonic Crystal SlabJNature, 2000, 4117: 983-9865 Meade R D,Rappe A MAccurate theoretical analysis of photonic band-gapmaterial s JPhys Rev B1993 ,48(6): 58-1026 Elissavet P. Kosmidou，Emmanouil E. Krie

44、zis，and Theodoros D. Tsiboukis，Analysis of tunable photonic crystal devices comprising liquid crystal materials as defectsQuantum Electronics, IEEE Joumal of, 4l,5,P657-665(2005)7 Hongliang Ren，Chun Jiang, Weisheng Hu, Mingyi Gao, Jingyuan Wang ,Photonic crystal channel drop filter with a wavelength

45、-selective reflection micro-cavity. Optics Express, 14, 6, P.2446-2458(2006)8 Sangin Kim, Ikmo Park, Hanjo Lim, Chul-Sik Kee, Highly efficient photonic crystal-based multichannel drop filters of three-port system with reflection feedbackOptics Express, Vol.12, No.22, P.5518-5525(2004)9 M. J. Steel,

46、M. Levy, and R. M. Osgood, Jr., High Transmission Enhanced Faraday Rotation in One-Dimensional Photonic Crystals with Defects. IEEE Photonics Technology Letters, Vol.12, No.9,P.1171-1173(2000)10 Haisong Wang，Fanmin Kong，Kang Li，Liangmo MeiHighly efficient photonic crystal-based multi-channel drop fi

47、ltersProcOf SPIE，vol6781,678152,(2007)31第3章 外文翻译基于二维异性光子晶体的高效多通道下拉滤波器摘要在二维的光子晶体（PC）板中，高效率平面多信道下载滤波器已被实验证明。该器件基于以前提出的异质结构光子晶体的概念，由多个单连通、基于光子晶体的滤波单元组成，在这个器件中每个单元有一个和优化基本单元成比例的结构，并且工作在不同的波长。四信道下载操作已经成功获得，效率几乎高达到100，并且在所有信道内具有同等的品质因素。介绍近年来，基于引入无序光子晶体（PC）的小区域所形成的人工缺陷的光子器件在各种领域的应用得到了广泛的研究。例如，超小波长滤波器、开关设备和

48、延迟装置，已经应用于电信、低门槛的纳米激光器、化学传感器和量子信息学。尤其是在二维光子晶体板中包含点缺陷和线缺陷的超小信道下降滤波器，已引起了广泛的关注。这种滤波器的最终大小预计要小于传统的光学设备的1/10000。一种面射形通道下载滤波器已经实现，在这种滤波器中，穿过一个线缺陷波导的光线在被正常地发散至表面之前被一个点缺陷腔共振俘获。光子晶体平面异性的概念也被提出，由一系列具有不同晶格常数相连接的光子晶体区域组成。这种结构已经被用于证明多波长的拖放操作，并且理论上改善下载效率在异质结界面的反射计算。要考虑的另一种配置是一个平面光子晶体器件，在这个器件内，点缺陷腔俘获到的光被提取到相邻的波导中

49、。此配置可能会作为一个重要的平台，可以集成各种功能要素，开关，光存储器等，因此预计将变得越来越重要。实验证明一个平面器件的单通道拖放操作在两平行波导间有一个超高Q值纳米腔，理论上下载效率最多25%。此外，实验证明器件单通道平面拖放操作效率超过80%，利用破坏性的干扰消除不需要的输出。另一种利用共振隧穿效应的配置也已被提出，并且，实验证明单通道下载操作的效率为 6520%。在这项工作中，基于我们之前提出的异质光子晶体的概念，我们实验研究出了一种使平面多波长上传/下载降滤波器件具备高效率和稳定品质因素的方法。基本概念图1显示了提出的平面多信道上传/下载滤波器的原理图，这样设计是为了实现所有信道的高

50、效率和稳定的品质因素。基于异质结构光子晶体的概念，该器件由多个晶格常数成比例的光子晶体板PC1，PC2，PC3.组成，其中每个光子晶体板具有不同的工作波长。当一束多波长光的入射到此器件上，并通过输入波导传播，光和每个光子晶体区域的点缺陷腔产生谐振，并被腔所俘获; 被俘获在每个腔中的光可以被提取到一个单独的输出波导。这里，相邻光子晶体区域之间的异质结界面充当了波长选择镜的功能。如图1所示，部分谐振光穿过了点缺陷腔而没有被俘获。也有一定比例被俘获在点缺陷里的光与腔体耦合，并且通过输出波导朝下一个光子晶体区域传播。然而，滤波器的结构经过设计，传播到下一个光子晶体的光可以被异质结界面反射回来。调整反射

51、到异质结界面上的光的相位可以消除干扰，减少光从点缺陷腔传播回端口1的比例，同时加强对输出端口传播的比例。在理想情况下，这种干扰可能会导致只能从输出端口提取谐振光。此外，多信道的下载操作可以实现，器件的设计可以使没有与先前的滤波单元产生谐振的光传输在异质结构表面。这种透射光可以通过另一种合适设计异质结构滤波单元的器件来消除。此外，当维持效率和品质因素的时候，工作波长可以改变，因为异质结构光子晶体的工作波长与晶格常数成比例，但效率和品质因素是无量纲参数。因此，一旦我们优化一个异质光子晶体的设计，我们可以简单地连接多个的比例结构，并期望所有信道上传/下载操作有相同的效率。由于过滤装置的厚度难免不同，

52、在以下实验中采用的异质结构是不完全成正比，品质因素和效率预计将以晶格常数几个百分比而不断变化。图1.在第二节里描述的多信道上传/下载滤波器的原理图滤波单元的结构和光学性质在本节中，我们根据在第二节中所描述的设计，报告了一个器件的实验结果。图2（a）显示了制作的滤波器单元的扫描电子显微图，图2（b-d）显示了器件重要部分的放大视图。这个器件由两块光子晶体板PC1和PC2组成，晶格常数分别为a1=0.420m，a2=0.415m，如图2（b）所示。A=/a=1.012。这里，这个值被选定为在PC2中比PC1中的点缺陷腔的谐振波长较短的截止波长。点缺陷腔和异质结构界面之间的距离设置为d=5a1，因为

53、这个距离被发现是反射光在异质结界面上的最优相位条件。图2（c）显示了一个放大的点缺陷腔视图，其中包括三个缺失的气孔。为了使他的性能最大化，这六气孔最近的两个边缘的位置被做了细微地调整；在A位置的气孔位移了0.173a1，B位置的位移了0.173a1，C位置的位移了0.173a1（参见图2(c)）。点缺陷腔的内在品质因数非常高，大约有100000。为了抑制平面内的损耗，利用一个具有很高的内在品质因素的腔体对于平面类型器件是至关重要的。点缺陷腔放置在PC=的中心位置，在输入和输出波导之间，距离每个波导的距离为2.53a1。对于多通道操作，使输出波导弯曲；调整在角落的两个气孔的尺寸，使弯曲波导的传输频率和点缺陷腔的谐振频率相匹配，如图2（d）所示。两个气孔的半径都设置为rc=0.26a1，这个要比普通气孔的半径0.30a1要小。据估计,弯曲效率会大于90%。在二氧化硅或硅为衬底的超薄硅板上形成2D-PC模型 图2.制作器件的扫描电子显微图。（a）制作完成的基本滤波单元的俯视图，显示了光子晶体异质结构和高Q值纳米谐振腔；（b)