微帶濾波器開題報告

1、 寧波理工學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告（含文獻綜述、外文翻譯） 題 目 基于旋磁光子晶體的單通道濾波器設(shè)計 姓 名 張良俊 學(xué) 號 3080431079 專業(yè)班級 08通信工程2班 指導(dǎo)教師 王卓遠 學(xué) 院 信息科學(xué)與工程學(xué)院 開題日期 2012年03月13日 第1章 文獻綜述基于旋磁光子晶體的單通道濾波器設(shè)計1.1 光子晶體1.1.1 光子晶體的概述光子晶體的應(yīng)用研究是近年來一個很前沿和很熱門的話題，同時它也是一個較為深奧的物理概念。然而正如20世紀初人們對硅這種半導(dǎo)體材料的懵懂一樣，也許在21世紀末的時候，你將對這個名詞耳熟能詳。我們知道，在過去的一個世紀，電子技術(shù)發(fā)展迅速，幾乎進入了人們

2、生活的每一個方面，而其中最關(guān)鍵的因素要得益于許多半導(dǎo)體材料的應(yīng)用。利用它們的一些區(qū)別于導(dǎo)體和絕緣體的特殊的性質(zhì)，人們制造出了許多的現(xiàn)代固體電子與光電子器件。收音機、電視、計算機、電話、手機等等無一不再應(yīng)用著半導(dǎo)體制成的芯片、發(fā)光二極管（LED）等等元件。而這些給我們帶來這么多便利的半導(dǎo)體材料大多是一些晶體。但是，隨著電路集成度的提高和處理速度的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的、難以解決的問題。于是，科學(xué)家們開始專注光子技術(shù)的研究，希望可以用光子取代電子來傳輸、處理和存儲信息。光相對電有很多的優(yōu)點，如：光在介電材料里的傳輸速率和帶寬都遠遠大于電子在金屬中的傳輸速率和帶寬1。但光子的控制卻相當(dāng)困難，這使得

3、光器件的研究和應(yīng)用難以取得重大的進步。1.1.2 光子晶體的提出1987年，E.Yablonovitch2在研究抑制自發(fā)輻射時，提出了“光子晶體”（Photonic crystal，簡稱PC或PhC）的概念。幾乎同時，S.John3等人在討論光子局域時也獨立地提出了這個概念。它是不同介電常數(shù)的介質(zhì)在空問上周期性分布的人工材料。按照光子晶體中介質(zhì)周期性分布的維數(shù)，可以分為一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）光子晶體（如圖1.1）。當(dāng)電磁波在光子晶體中傳播時將固介電常數(shù)的周期性變化而發(fā)生布拉格散射，進而導(dǎo)致光子能帶結(jié)夠（Photonic bands structure）的形成，能帶（Photo

4、nic bands）與能帶之間可能存在光子帶隙（Photonic band gap，簡稱PBG：也稱為光子禁帶）。光于晶體的能帶結(jié)構(gòu)特性決定了光子晶體具有不同于其它介質(zhì)材料的特性。圖1.1 光子晶體的結(jié)構(gòu)示意圖1.1.3 光子晶體的原理光于晶體最顯著的特性是具有光子帶隙，頻率落在帶隙中的電磁波是禁止傳播的，帶隙的產(chǎn)生和大小與光子晶體的晶格結(jié)構(gòu)、介質(zhì)單元的幾何形狀、介質(zhì)的介電常數(shù)及介質(zhì)填充比等有若密切的關(guān)系?？偲饋碚f，介質(zhì)介電常數(shù)比越大，產(chǎn)生帶隙的可能性就越大。第一個具有全帶隙的三維光子晶體結(jié)構(gòu)是由美國的K.M.Ho等人首先從理論上提出來的4，而美國貝爾通訊研究所的E.Yablonovitch等

5、人則制造出了世界上第一個具有完全光子帶隙的三維光子晶體5。與半導(dǎo)體類似，完美的光子晶體用處并不大。在實際應(yīng)用中，往往需要引入缺陷來制作各種各樣的光學(xué)器件，比如光波導(dǎo)、微諧振腔等。引入的缺陷破壞了光子晶體原有的周期性。在光了帶隙中就有可能出現(xiàn)頻率極窄的缺陷態(tài)，與缺陷態(tài)頻率吻合的光子會被局域在出現(xiàn)缺陷的位置，一旦偏離缺陷位置光將迅速衰減。光子晶體的帶隙特性說明光于晶體可以作為某頻段電磁波的絕緣體，同理，還可以把光子晶體作為其它頻段電磁波的導(dǎo)體。研究人員還發(fā)現(xiàn)，特定結(jié)構(gòu)的光子晶體在某些頻率范圍內(nèi)存在不同尋常的超強色散特性，如超棱鏡、自聚焦現(xiàn)象等。Lin等人首先發(fā)現(xiàn)并在毫米波段證實了這些現(xiàn)象的存在。K

6、osaka等在一種稱為“autocloned”的光子晶體結(jié)構(gòu)中證明了在光波段存在超棱鏡現(xiàn)象。這種超棱鏡現(xiàn)象可以用在光的自聚焦和波分復(fù)用等方面。由光子晶體制作的超棱鏡的分光能力是常規(guī)棱鏡的1001000倍，而體積只是常規(guī)的百分之一。近幾年來，光子晶體的負折射現(xiàn)象又成為光子晶體的研究熱點，而光子晶體的這種負折射特性也有很多潛在應(yīng)用，如自聚焦、成像等。2003年，關(guān)于光子晶體負折射現(xiàn)象的實驗結(jié)果在Nature相繼報道，Cubukcu等在微波波段證明了光子晶體的負折射特性，2008年Jason等人在可見光波段也證明了光的負折射現(xiàn)象。目前光子晶體在電磁隱形、繞行效應(yīng)及高效發(fā)光二極管等方面也成為了研究的熱

7、點6。1.1.4 光子晶體的應(yīng)用光子晶體稱為光的半導(dǎo)體，它提供了種全新的光子控制機制。由于其獨特的性質(zhì)，光了晶體可以制作全新概念和以前不能做的高性能光學(xué)器件，因此它極有可能取代傳統(tǒng)的光學(xué)器件。隨著光子晶體研究在理論和實驗兩方面的展開。研究成果不斷涌現(xiàn)，特別經(jīng)過近二十年的發(fā)展，在光子晶體波導(dǎo)、光子晶體光纖、光分束器、光濾波器等器件的研究中己經(jīng)取得了巨大的成果。（1） 光子晶體波導(dǎo)光子晶體中的光子帶隙也可以應(yīng)用到光子晶體波導(dǎo)，這可以通過住光子晶體中引入線缺陷的方式實現(xiàn)。光了晶體波導(dǎo)不同于傳統(tǒng)介質(zhì)光波導(dǎo)的特點是其通過光子帶隙控制光波傳導(dǎo)（傳統(tǒng)介質(zhì)光波導(dǎo)是通過全反射方式控制光波傳導(dǎo)）。因此在傳統(tǒng)介質(zhì)光

8、波導(dǎo)中不可能實現(xiàn)的90°垂直彎轉(zhuǎn)，可以成功的在光子晶體波導(dǎo)中實現(xiàn)。在文獻5中，作者從理論上證明：在由介質(zhì)柱組成的正方晶格光了晶體中，采用兩個相互垂直的波導(dǎo)可以實現(xiàn)光的90°彎轉(zhuǎn)。進而，研究人員在六方晶格平板光干晶體中實現(xiàn)了60°和120°的彎轉(zhuǎn)。Yariv提出了種新穎的光學(xué)波導(dǎo)，耦合諧振腔光學(xué)波導(dǎo)（CROW，Coupled-resonator optical waveguide），它是由一系列光學(xué)共振腔耦合而成的，每個共振腔是一個點缺陷二維光子晶體7。傳統(tǒng)的波導(dǎo)器件即使只有5°的彎曲也會產(chǎn)生極大的能量損失（約50）。光子晶體波導(dǎo)器件可以使彎曲度

9、很大而能量損失很小，這種彎曲型波導(dǎo)器件更便于集成化6。另外可以想到的應(yīng)用是利用光子晶體波導(dǎo)，指光子晶體光纖（Photonic crystal fibre,PCF），實現(xiàn)長距離光信號傳輸。傳統(tǒng)光纖通過內(nèi)全反射實現(xiàn)對光的控制，它是由高折射率纖芯和低折射率包層組成的。PCF是一種由單一介質(zhì)（通常為石英玻璃，也可以為塑料）構(gòu)成，并且在二維方向上呈現(xiàn)周期性緊密排列（如周期性六角形等）、而在第三維方向（光纖軸向）基本保持不變的波長量級空氣孔構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)包層的新型光纖。與G652光纖不同，PCF是由石英玻璃和空氣孔微小結(jié)構(gòu)組成的光纖，其又可以分為實芯光纖和空芯光纖，前者是由石英玻璃棒和石英玻璃毛細管集束成棒

10、加熱拉制成的，而后者則是由石英玻璃管和石英玻璃毛細管集束成棒加熱拉制成的。1996年，Russell根據(jù)光子晶體傳光原理制作出了第一根PCF。它的纖芯為二氧化硅（silica），包層為二氧化硅制作的光子晶體結(jié)構(gòu)。但是這種光子晶體的光波機制仍然是基于內(nèi)全反射效應(yīng)。因此，人們繼而設(shè)計了空心的PCF。在這種光纖中，纖芯折射率低于包層，導(dǎo)波機制不可能是內(nèi)全反射效應(yīng)。此外，基于二維光子晶體也可以設(shè)計PCF。這種PCF不同于空心PCF之處是，它直接在二維光子晶體結(jié)構(gòu)中引入缺陷，而不是光纖中心引入空氣柱。 PCF的結(jié)構(gòu)和性能，使得PCF作為光傳輸介質(zhì)和光器件具有許多誘人之處。實際上，人們通過調(diào)整纖芯直徑、包

11、層空氣孔直徑和包層空氣孔之間的距離來達到制造出分別具有低衰減、高色散、非線性效應(yīng)小（大模場直徑或者大有效面積）、保偏等性能的PCF的目的。(2)光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔的制作對光集成有著重要的意義，近年來受到廣泛關(guān)注。光子晶體微諧振腔的品質(zhì)因子（Quality factor）可以做得很高，這是采用其他材料制作的諧振腔無法實現(xiàn)的。在光子晶體中引入點缺陷，相當(dāng)于在光子禁帶中的某些位置引入光子局域態(tài)。屬于這些位置的光場被限制在非常小的點缺陷中，可以產(chǎn)生很高的能量密度。光子晶體諧振腔的制作有兩種方式，一種是用兩個光子晶體反射鏡構(gòu)成法布里玻羅腔；另一種是利用缺陷態(tài)光子晶體的光子局域和諧振特性來制作諧

12、振腔8。描述光子晶體諧振腔的一個重要參數(shù)是品質(zhì)因子，品質(zhì)因子越大則對應(yīng)的光子晶體諧振腔的諧振譜越窄。理論上，光子晶體諧振腔的品質(zhì)因子可以達到10的6次方量級，而實驗上也觀察到品質(zhì)因子為600000。(3)光子晶體濾波器在波分復(fù)用光通信系統(tǒng)中，光濾波器是處理某個特定信道或者多個信道光信號的關(guān)鍵器件。而在光子晶體結(jié)構(gòu)中，既可以應(yīng)用光子晶體波導(dǎo)和諧振腔之間的相互耦合作用構(gòu)造高品質(zhì)的選頻濾波器9，也可以使用相互耦合的波導(dǎo)來制作，此外應(yīng)用光子晶體結(jié)構(gòu)的超棱鏡現(xiàn)象可以制作波分復(fù)用器。如圖1.2所示，結(jié)構(gòu)上最簡單的光子晶體濾波器建立在一維周期性結(jié)構(gòu)上。方法是在這種結(jié)構(gòu)中引入點缺陷（即諧振腔），實現(xiàn)對特定頻率

13、的選頻功能。圖1.2 一維光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)S.Fan等人以及Manolatou等人提出的結(jié)構(gòu)是在圖1.3中給出的結(jié)構(gòu)。它在兩個平行波導(dǎo)之間放置單個（兩個）多模（單模）諧振腔。兩個諧振腔之間的距離需要優(yōu)化以實現(xiàn)在特定端口相干加強，其它端口相干相消。此外，這兩個單模諧振腔也可以由一個支持多模的諧振槍來替代。并要求其至少支持兩個諧振模，即：一個奇模和一個偶模。實現(xiàn)這些要求的條件是：必須設(shè)計兩個分別支持一個奇模和一個偶模的單模諧振腔（或者支持一個奇模和一個偶模的多模諧振腔）且這兩個諧振模具有相同的線形（line shape）。此外，其他研究人員也提出了類似的光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)。圖1.3 四端口結(jié)構(gòu)的

14、濾波器 以上Fan等人的設(shè)計是四端口結(jié)構(gòu)的濾波器。如果移去其中的一個波導(dǎo)，則形成了側(cè)邊耦合諧振腔濾波器結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)計另外一種濾波器設(shè)計方案，即三端口結(jié)構(gòu)濾波器。這種三端口的濾波器設(shè)計包括側(cè)邊耦合的光子晶體諧振腔和兩個相互垂直（或成某一角度）的波導(dǎo)，而諧振腔被放置在兩個波導(dǎo)中間。為了實現(xiàn)高效率濾波功能，必須在導(dǎo)波波導(dǎo)中引入反射機制。如果在同一光子晶體結(jié)構(gòu)中，反射機制可以由相同結(jié)構(gòu)的光子晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。此外反射機制也可以由可變寬度波導(dǎo)或者異質(zhì)結(jié)光子晶體實現(xiàn)。而最新提出的方法則是使用側(cè)邊耦合諧振腔實現(xiàn)反射機制。這種三端口結(jié)構(gòu)可以比四端口結(jié)構(gòu)更容易地擴展到圖1。4所示的多信道濾波器。方法是選

15、擇不同尺寸（諧振頻率）的單信道濾波器，再級聯(lián)這些單信道濾波器來實現(xiàn)多信道濾波功能。圖1.4 左圖：基于三端口結(jié)構(gòu)的多信道濾波器結(jié)構(gòu)；右圖：左圖結(jié)構(gòu)的傳輸譜圖1.5 Fabry-Perot腔帶通濾波器圖1.5給出了一種fabry-perot腔帶通濾波器。在這種結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)abry-Perot腔的部分反射面是通過在光子晶體波導(dǎo)中放置適當(dāng)?shù)墓庾泳w缺陷形成的。對這種結(jié)構(gòu)，必須仔細設(shè)計光子晶體腔的反射率拳相位以及群光長度以確定諧振頻率，自由譜范圍以及帶寬。因此這種設(shè)計很困難。圖1.6 高階光子晶體諧振腔濾波器在另外一篇文章中提出一種高階光諧振腔濾波器。在這種結(jié)構(gòu)中，耦合諧振腔被直接嵌入在二維光子晶體波導(dǎo)

16、中。文章中作者使用等效電路方法設(shè)計了一個三階切比雪夫濾波器。濾波器的中心頻率為193.55THz，帶寬為50GHz，通帶內(nèi)ripple為0.3dB。因此，這種濾波器適用于具有100GHz信道間隔的WDM光通信系統(tǒng)。圖1.7 （a）周期一性集聯(lián)諧振腔；（b）圖（a）結(jié)構(gòu)的反射譜Xu等人報道了一種包含線波導(dǎo)和諧振腔的帶阻濾波器。在這種濾波器設(shè)計中，諧振腔周期性地排列在波導(dǎo)兩側(cè)。他們使用近似于量子散射理論的方法分析了波導(dǎo)和面耦合于波導(dǎo)的諧振腔之間的耦合作用。而在光子晶體結(jié)構(gòu)中，則是圖1.7（a）中給出的光濾波器結(jié)構(gòu)，其包含一組周期性集聯(lián)的諧振腔。每個諧振腔中都被移去了一個介質(zhì)柱并放置在單模光子晶體波

17、導(dǎo)側(cè)面。作者采用的分析方法是基于平面波的傳遞矩陣法。但是，這種反射濾波器的反射譜中存在旁瓣。這種旁瓣在實際應(yīng)用如波分復(fù)用系統(tǒng)中是不期望的。這種包含側(cè)邊耦合諧振腔的光學(xué)系統(tǒng)類似于環(huán)形諧振腔（Ring resonator）光濾波器或者分布式反饋（Distribured feed back）結(jié)構(gòu)。因此，切趾技術(shù)也可以用來抑制反射譜的旁瓣以優(yōu)化反射譜。在光子晶體波導(dǎo)光柵中，研究人員已經(jīng)使用切趾技術(shù)實現(xiàn)了對反射譜中旁瓣的抑制【10】。 這里討論的三端口和四端口濾波器結(jié)構(gòu)都是將諧振腔放置在波導(dǎo)側(cè)面，在光子晶體二維平面內(nèi)實現(xiàn)濾波功能。Noda等提出了圖1.8左圖中的一種濾波器結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，諧振腔被放置

18、在二維平板光子晶體波導(dǎo)的側(cè)面。光信號通過消逝波隧道效應(yīng)從波導(dǎo)耦合到諧振腔并直接在垂直二維平板方向上濾波輸出。圖1.8 左圖：Noda等提出了濾波器結(jié)構(gòu)；右圖：機械可切換光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)此外，F(xiàn)an所在研究組，介紹了一種機械可切換光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)，它可以作為一個平頂反射濾波器或者全通傳輸濾波器。如圖1.8右圖所示，這種結(jié)構(gòu)包含兩個光子晶體平板。通過調(diào)節(jié)這兩個平板之間的距離，可以控制正入射光信號的傳輸特性。此外使用單個光子晶體平板，可以得到一種全通或者平頂反射濾波器。 上面介紹的光子晶體濾波器都是建立在光子晶體波導(dǎo)和諧振腔之間的耦合基礎(chǔ)上，實際上直接利用耦合的波導(dǎo)也被用來實現(xiàn)光子晶體濾波器。如

19、定向耦合器濾波器，雙向耦合器濾波器。對比Fabry-Perot腔，這個光子晶體結(jié)構(gòu)在諧振時反射光信號，而Fabry-Perot腔則在諧振時傳輸光信號。在文獻中，則研究了不同光子晶體波導(dǎo)之間的反向耦合。圖1.9 左圖：同向耦舍波導(dǎo)；右圖：反向耦合波導(dǎo)另外一種實現(xiàn)濾波功能的機制是利用光子晶體的超棱鏡效應(yīng)。常靚的棱鏡對波長相近的光幾乎不能分開，但用光子晶體做成的超棱鏡分光能力比常規(guī)韻要強100-1000倍，體積卻只有常規(guī)大小的百分之一左右，是一種很有前途的制作波分復(fù)用器的材料。圖1.10 集成一維光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)的超棱鏡結(jié)構(gòu)圖1.10中是利用超棱鏡效應(yīng)并集成一維光子晶體濾波器的光結(jié)構(gòu)10。1.2

20、光子晶體濾波器1.2.1 光子晶體濾波器的概念光濾波器是光子技術(shù)的基本元件之一，在光通信和光學(xué)信息處理方面有著廣泛的應(yīng)用。光濾波器的質(zhì)量和體積等參數(shù)直接影響到它的應(yīng)用價值。光子晶體是90年代初出現(xiàn)的一種新型的人工結(jié)構(gòu)材料，它是由高介電常數(shù)介質(zhì)材料和低介電常數(shù)介質(zhì)材料在空間上作周期交替排列而得到的，其晶格常數(shù)與工作光波的波長為同一個數(shù)量級。光子晶體具有光子頻率禁帶，常簡稱為光子禁帶，頻率在禁帶區(qū)內(nèi)的光子是不能在光子晶體中存在的。因此，一塊光子晶體就是一個自然的理想帶阻濾波器。而一維結(jié)構(gòu)光子晶體濾波器，在設(shè)計上具有簡明性、系統(tǒng)性，以及設(shè)計計算量少等特點，易于設(shè)計特寬的帶阻濾波器和高品質(zhì)因素的窄帶濾

21、波器，也易于進行光濾波。利用金屬材料制作的光子晶體在某一頻率之下全是禁體中制造缺陷或者使光子晶體的晶格常數(shù)產(chǎn)生微擾的方法，可以實現(xiàn)窄帶濾波。光子晶體濾波器的特點是，濾波性能遠優(yōu)于普通的光濾波片，其阻帶區(qū)對透過光的抑制可以容易地達到30dB以上，而且光子晶體濾波器的帶阻邊沿的陡峭度可以容易做到接近于90度。另外，由于光子晶體都是使用對光波幾乎沒有損耗的介質(zhì)材料制成的，所以光子晶體濾波器對通過波段的光波的損耗非常小。1.2.2 光子晶體濾波器的研究現(xiàn)狀由于光子晶體濾波器的廣闊應(yīng)用前景，在近幾年來已經(jīng)吸引了廣大學(xué)者進行研究實驗?？v觀當(dāng)前的研究領(lǐng)域，主要有以下幾個大的研究方向：首先是以日本學(xué)者Yosh

22、ihiro Akahane為首的研究團隊致力于高Q因子諧振腔濾波器的研究，已經(jīng)使用硅基材料制成了二維光子晶體微腔諧振器，其Q值達到了45000。并且還設(shè)計了高Q值的光濾波器，其設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1.11所示。圖1.11 高Q值光濾波器結(jié)構(gòu)圖在此研究的基礎(chǔ)上，Bong-Shik Song等人設(shè)計了通過改變不同段晶格常數(shù)的辦法實現(xiàn)了異質(zhì)結(jié)構(gòu)多信道光濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖1.12所示，但該方法的不足之處是若想實現(xiàn)各信道間隔很小，那么器件各段晶格常數(shù)相差會很小，在光波波段實際的制作工藝上有一定的困難。圖1.12 異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體多信道濾波器結(jié)構(gòu)圖目前研究最多是利用二維光子晶體波導(dǎo)和諧振腔之問的耦合作用，來實現(xiàn)濾

23、波。主要有臺灣Chih-Wen Kuo等人，設(shè)計了六信道光子晶體濾波器。其結(jié)構(gòu)如圖1.13所示，另外韓國Sangin Kim等人利用具有反射反饋的三端口結(jié)構(gòu)設(shè)計了五信道光子晶體濾波器。其結(jié)構(gòu)如圖1.14所示，其濾波效率達到了96。Qiu Min等人主要致力于利用諧振腔的耦合作用實現(xiàn)光的濾波。圖1.13 六信道光子晶體濾波器示意圖圖1.14 具有反射結(jié)構(gòu)的光子晶體濾波器還有用液晶作為光子晶體的缺陷，利用液晶兩端加上不同電壓可以改變液晶的相對介電常數(shù)的特性，在液晶缺陷的兩個端面加上可調(diào)電壓，通過調(diào)整電壓改變液晶分子的朝向，進而改變了液晶缺陷的相對介電常數(shù)，來實現(xiàn)可調(diào)多信道濾波的要求。該濾波器結(jié)構(gòu)如

24、圖1.15所示6。圖1.15 液晶可調(diào)光濾波器結(jié)構(gòu)示意圈 該方法雖然可以實現(xiàn)多信道的濾波效果，但可操作性不強。結(jié)束語本論文的研究重點是通過模擬仿真計算，來設(shè)計具有高傳輸效率的光子晶體多信道光濾波器。該器件信道的傳輸效率要達到90%以上，并工作于GHz級別。參考文獻1 梁偉軍，王智，江中澳.光子晶體及其在光通信中的應(yīng)用，光通信技術(shù)J， 2003，（6）:33-35.2 Eli Yablonovitch，Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and ElectronicsPhysical Review letters，58，20

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29、 14,2006, pp.4459-4468第2章 開題報告基于旋磁光子晶體的單通道濾波器設(shè)計2.1 選題的背景與意義人們對信息傳輸速率和通信容量需求的不斷增加極大地刺激了光通信技術(shù)的發(fā)展。雖然光纖帶寬的利用率得到大大提高，但全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)仍然停滯在一個較低的水平。目前的全光網(wǎng)中雖采用了波長交換、波長路由等技術(shù)，但光的作用還僅限于信息傳輸，更重要的信息處理（光分組的交換、路由等）依然采用電子技術(shù)實現(xiàn)，光“智能”還遠沒有達到電“智能”的水平?！耙怨庾拥男问教幚硇畔ⅰ辈粌H是人類追求的技術(shù)夢想，也是未來社會發(fā)展的現(xiàn)實需求。如何研制開發(fā)提高通信速度的關(guān)鍵技術(shù)和器件已經(jīng)成為光通信研究的發(fā)展趨勢。工程技術(shù)上

30、的重大突破往往來源于新材料、新器件的誕生，信息技術(shù)的發(fā)展也是如此。新材料一直是人們研究的熱點，上世紀半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了一場轟轟烈烈的電子工業(yè)革命，我們的科技和生活水平有了一個突飛猛進的跨越，并藉此進入了以計算機和信息高速公路為標志的信息時代。信息業(yè)的夢想之一，是利用光子替代電子傳遞更大容量的信息，這是因為光子有著電子所不具備的優(yōu)勢：速度快、彼此間不存在相互作用。一旦實現(xiàn)這點，信息的傳輸速度將快得無法想象。最近光子晶體的出現(xiàn)將可能使這種狀況變?yōu)楝F(xiàn)實。由光子晶體做成的器件可以如人所愿地控制光子的流動，就像半導(dǎo)體中的電子一樣。另外還可以很好的和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝、集成電路技術(shù)相結(jié)合，光子晶體是實現(xiàn)

31、光子集成的突破口。光子晶體將成為未來全光集成電路和各種新型光子器件的物理基礎(chǔ)之一。這就是為什么光子晶體越來越引起人們廣泛關(guān)注的原因。近年來光子晶體的研究在世界各主要國家都成為了科學(xué)研究領(lǐng)域的一個熱門課題。2.2 設(shè)計目標 當(dāng)前很多研究人員已經(jīng)利用光子晶體制作了很多種光濾波器，但高傳輸效率光子晶體多信道濾波器的設(shè)計還有待更深入的研究。本文在研究光子晶體組成各要素對晶體特性影響的基礎(chǔ)上，并根據(jù)時域耦合模理論導(dǎo)出了波導(dǎo)與諧振腔問高效耦合的條件，設(shè)計了正方晶格光子晶體對稱式諧振腔雙信道光濾波器，并進行了仿真分析，經(jīng)過詳細分析得到了影響濾波效率的主要因素和提高濾波效率的參數(shù)設(shè)置方法及規(guī)律。通過改進光子晶

32、體光濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置，濾波器各信道的濾波效率均超過了90%。該濾波器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計方便、濾波效率高、體積小易于集成化設(shè)計。這為設(shè)計和制作高效光子晶體多信道濾波器提供了很好的參考依據(jù)。2.3 二維光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)及缺陷態(tài)二維光子晶體 在X， Z兩個方向 上的介電常數(shù)具 有周期性，而在Y方向 上的介電常數(shù)保持不變，相比三維光子晶體，其制作和分析更加 容易，也便于 應(yīng)用在光學(xué)集成上，因此，現(xiàn)在的主要研究還是集中在二維光子晶 體上。二維光 子晶體上主要分為兩大類：一類是二維正方形光子晶體，另一類是二維三角光子晶體。橫截面形狀對光子帶隙結(jié)構(gòu)的影響1。2.3.1 帶隙結(jié)構(gòu)光子能隙分為完全能隙與

33、不完全能隙2。所謂完全能隙，是指光在整個空間的所有傳播方向上都有能隙，并且每個方向上的能隙相互重疊；不完全能隙，相應(yīng)于空間各個方向上的能隙并不完全重疊，即只有在特定方向上有能隙。要使空間各個方向上的能隙相互重疊，它們的能隙寬度要足夠大。 （1）橫截面形狀對光子帶隙結(jié)構(gòu)的影響 圖2.1所示為二維光子帶隙結(jié)構(gòu)圖，該晶體由介質(zhì)圓柱周期性排列而形成1。從其帶隙結(jié)構(gòu)可以看出，TE波存在頻率為0.30.48()的光子禁帶(a為重復(fù)結(jié)構(gòu)周期)，在此范圍內(nèi)沒用任何的TE波傳播；TM波的禁帶頻率為0.860.95( )。 圖2.1 圓形截面二維光子晶體及其帶隙結(jié)構(gòu)3與圓柱截面的光子晶體相比，TE波多了一條頻率為

34、0.60.65()的光子禁帶，其光子禁帶的范圍明顯加寬?？梢姡ㄟ^變化介質(zhì)棒橫截面的形狀就控制二維光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)，這一特點為光子晶體器件的設(shè)計帶來巨大的發(fā)展空間。 （2）介質(zhì)折射率差對光子帶隙結(jié)構(gòu)的影響 改變晶體傳輸介質(zhì)折射率差也可以改變其帶隙結(jié)構(gòu)。圖2.2為介質(zhì)圓柱在空氣中排列而成的二維光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)圖，其折射率差為1.98(介質(zhì)圓柱與空氣折射率的差值)。從其帶隙結(jié)構(gòu)圖中可以發(fā)現(xiàn)，TE波存在一條頻率為0.320.45()的光子禁帶，寬度大約是0.13()。改變晶體的折射率差為2.742，其帶隙結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。改變數(shù)值后，TE波禁帶的范圍是0.250.41()，寬度大約0.15( )

35、。對比圖2.2和圖2.3，二維光子晶體的介質(zhì)折射率差從1.98變?yōu)?.742，TE波禁帶的寬度增加了0.02()。通過以上的分析可知，在其它條件不變的情況下，改變光子晶體的介質(zhì)折射率差可以改變其帶隙結(jié)構(gòu)，當(dāng)差值增大時，光子禁帶的寬度會增大4。 圖2.2 介質(zhì)折射率差為1.98的二維光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)3 圖2.3 介質(zhì)折射率差為2.742的二維光子晶體的TE/TM帶隙結(jié)構(gòu)12.3.2 光子晶體缺陷態(tài)分析在第一章中，曾介紹過光子晶體具有的兩個特征：光子禁帶和光子局域，光子局域是基于理想光子晶體中引入點缺陷，即在禁帶中可 能會存在一個或多個的振動模，稱之為缺陷模。多個點缺陷在光子傳輸方向上的 直線排

36、列就構(gòu)成了線缺陷，那么光波就會被局域在點缺陷處，或只能沿著缺陷的 路徑進行傳播?？梢岳命c缺陷把光波俘獲在某一個特定位置，使其無法向外傳播，這相當(dāng)于微腔，同時也可以利用線缺陷引導(dǎo)光波的傳播，這一原理被應(yīng)用在波分復(fù)用、光波導(dǎo)等方面。由于缺陷態(tài)潛在的應(yīng)用價值，目前對缺陷的研究已經(jīng)開展了一系列的工作，研究的光子晶體有一維(層次)的、二維的和三維的，大部分報道都是理論方面的，理論上計算缺陷模有許多方法，包括平面波展開方法、格林函數(shù)方法和 有限時域差分方法等5。 2.1.1 光子晶體波導(dǎo)光子晶體波導(dǎo)是在完整光子晶體去掉一排或者幾排介質(zhì)柱構(gòu)成的，圖2.4是光子晶體波導(dǎo)，該波導(dǎo)為一個為90°的彎曲

37、波導(dǎo)。背景為空氣，介質(zhì)柱折射率n=3.4，介質(zhì)柱半徑r=0.2a，a為晶格常數(shù)。以方框內(nèi)的介質(zhì)柱為超元胞，運用平面波展開法進行計算，得到光子晶體波導(dǎo)TE模色散曲線，如圖2.5所示。從圖中可以看到，陰影部分為允許帶，位于該帶中的頻率的模式是泄露模，帶的上部分是導(dǎo)帶，下部分是價帶。光子帶隙分布在歸一化頻率 從0.261到0.450之間，其中 為真空中的波長。由歸一化頻率0.340延伸到0.446之間只存在一種傳播模式。圖2.6是它的導(dǎo)摸場分布圖，波矢 ka / 2 =0.25，導(dǎo)摸頻率 a / 2c =0.341，從圖中可以看到，導(dǎo)模被鄰近的介質(zhì)柱束縛著，部分能量沿介質(zhì)柱傳播3。 圖 2.7 是二

38、維光子晶體波導(dǎo)電場模擬圖。以高斯波作為入射波，歸一化頻率a / =0.4，從 Input 端口入射，光波被限制在彎曲波導(dǎo)內(nèi)傳輸，從出口端輸出，能量損耗很小。圖2.8是禁帶區(qū)頻率光波的透射譜，從圖中可以看到，光波透射率很高，大部分的光波可以達到90%以上，這就有利 于光波的傳輸，并且制作光學(xué)器件1。 圖2.4 光子晶體波導(dǎo) 圖2.5光子晶體波導(dǎo)色散曲線 圖2.6 光子晶體波導(dǎo)模場分布 圖2.7光子晶體波導(dǎo)電場分布 圖2.8 光子晶體波導(dǎo)透射譜 2.4 具體實現(xiàn)2.4.1 光子晶體濾波器的理論分析對稱模式諧振腔與波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，如圖2.9所示圖2.9對稱模式諧振腔與波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖圖中表示端口傳輸

39、系數(shù)，為波導(dǎo)中各端口的信號，R為反射系數(shù)，d為兩諧振腔之間的距離。根據(jù)耦合模理論有6, (1) (2)式中 a，b分別表示腔體a和b的信號幅度，分別表示兩腔體的耦合頻率，分別表示由于腔體自身損耗所得腔體的Q值，分別表示從腔體耦合到端口1，2，3的Q值。分別是腔體b與耦合波導(dǎo)和主線波導(dǎo)耦合系數(shù)的相位。是腔體a與主線波導(dǎo)耦合系數(shù)的相位，是主線波導(dǎo)中的波傳播常數(shù)，d是腔體a與腔體b參考面之間的距離7。為了簡化分析過程，并根據(jù)實驗需要，我們只考慮從端口輸入（）?？傻?， （3） （其中，）令且，根據(jù)（3）可以導(dǎo)出 當(dāng)，時，可以使得傳輸效率達到100%。理論上容易滿足7，由于，只要選擇合適的d，就可滿足8

40、。2.4.1 鐵氧體材料鐵氧體（YIG）屬于非金屬類磁性材料。通常情況下，它的介電常數(shù)為15，磁導(dǎo)率為。當(dāng)電磁波通過由恒定磁場（）偏置下的氧體時，磁導(dǎo)率是一個張量，呈現(xiàn)各向異性。高頻下磁化鐵氧體的磁導(dǎo)率是一反對稱二階張量 式中， 對于鐵氧體的磁導(dǎo)率 =14，=12.4其中，旋磁比，是一常數(shù)， 為飽和磁化強度。2.4.1 濾波器參數(shù)設(shè)計光子晶體采用正方晶格圓形介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為a=0.025m，介質(zhì)柱半徑R=0.2a，介質(zhì)采用Si材料，介電常數(shù)為11.56，背景為空氣。波導(dǎo)通過去除一行介質(zhì)柱實現(xiàn)，諧振腔通過改變?nèi)毕萁橘|(zhì)柱半徑和材料來實現(xiàn)9。這里使用鐵氧體材料，它的相對電導(dǎo)率=15，而磁導(dǎo)率在

41、加磁場和不加磁場的情況是不同的。通過不同缺陷介質(zhì)柱的半徑來實現(xiàn)不同信道的濾波。兩個缺陷介質(zhì)柱半徑分別取0.052a、0.062a為例。為達到最大傳輸效率，根據(jù)上面的理論推導(dǎo)，這里令兩諧振腔之間的距離d=5a。由于去掉一行介質(zhì)柱面形成的光子晶體波導(dǎo)的寬度比較大，所以在傳輸波時經(jīng)常產(chǎn)生多?，F(xiàn)象，這對波的耦合十分不利。本文通過改變波導(dǎo)與相應(yīng)諧振腔之間波導(dǎo)邊緣介質(zhì)柱的半徑來提高波的傳輸效率10。2.5 進度安排進度安排如下表2.1所示：表2.1 畢業(yè)設(shè)計進度安排表起始年月進度目標要求2012.01.052012.01.31查閱文獻，撰寫報告和文獻綜述的初稿2012.02.012012.02.28對開題

42、報告和文獻綜述初稿進行修改，外文翻譯2012.03.012012.03.13撰寫開題報告，完成開題答辯2012.04.012012.04.30完成仿真設(shè)計2012.05.012012.05.31論文的撰寫與整理，提交畢業(yè)論文，答辯23參考文獻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 劉素蘭，章愈之，胡行方.光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)、潛

43、在應(yīng)用和制備方法J.無機材料報,2001，16(2):193-1993 周梅，陳效雙，王少偉等.波段的 FP 光子晶體濾波器J.物理學(xué)報,2006, 55(7): 3725-37294 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-g

44、apmaterial s JPhys Rev B1993 ,48(6): 58-1026 Elissavet P. Kosmidou，Emmanouil E. Kriezis，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 H

45、u, Mingyi Gao, Jingyuan Wang ,Photonic crystal channel drop filter with a wavelength-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 wit

46、h reflection feedbackOptics Express, Vol.12, No.22, P.5518-5525(2004)9 M. J. Steel, 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，F(xiàn)anmin K

47、ong，Kang Li，Liangmo MeiHighly efficient photonic crystal-based multi-channel drop filtersProcOf SPIE，vol6781,678152,(2007)31第3章 外文翻譯基于二維異性光子晶體的高效多通道下拉濾波器摘要在二維的光子晶體（PC）板中，高效率平面多信道下載濾波器已被實驗證明。該器件基于以前提出的異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體的概念，由多個單連通、基于光子晶體的濾波單元組成，在這個器件中每個單元有一個和優(yōu)化基本單元成比例的結(jié)構(gòu)，并且工作在不同的波長。四信道下載操作已經(jīng)成功獲得，效率幾乎高達到100，并且在所

48、有信道內(nèi)具有同等的品質(zhì)因素。介紹近年來，基于引入無序光子晶體（PC）的小區(qū)域所形成的人工缺陷的光子器件在各種領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的研究。例如，超小波長濾波器、開關(guān)設(shè)備和延遲裝置，已經(jīng)應(yīng)用于電信、低門檻的納米激光器、化學(xué)傳感器和量子信息學(xué)。尤其是在二維光子晶體板中包含點缺陷和線缺陷的超小信道下降濾波器，已引起了廣泛的關(guān)注。這種濾波器的最終大小預(yù)計要小于傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備的1/10000。一種面射形通道下載濾波器已經(jīng)實現(xiàn)，在這種濾波器中，穿過一個線缺陷波導(dǎo)的光線在被正常地發(fā)散至表面之前被一個點缺陷腔共振俘獲。光子晶體平面異性的概念也被提出，由一系列具有不同晶格常數(shù)相連接的光子晶體區(qū)域組成。這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)

49、被用于證明多波長的拖放操作，并且理論上改善下載效率在異質(zhì)結(jié)界面的反射計算。要考慮的另一種配置是一個平面光子晶體器件，在這個器件內(nèi)，點缺陷腔俘獲到的光被提取到相鄰的波導(dǎo)中。此配置可能會作為一個重要的平臺，可以集成各種功能要素，開關(guān)，光存儲器等，因此預(yù)計將變得越來越重要。實驗證明一個平面器件的單通道拖放操作在兩平行波導(dǎo)間有一個超高Q值納米腔，理論上下載效率最多25%。此外，實驗證明器件單通道平面拖放操作效率超過80%，利用破壞性的干擾消除不需要的輸出。另一種利用共振隧穿效應(yīng)的配置也已被提出，并且，實驗證明單通道下載操作的效率為 65±20%。在這項工作中，基于我們之前提出的異質(zhì)光子晶體的

50、概念，我們實驗研究出了一種使平面多波長上傳/下載降濾波器件具備高效率和穩(wěn)定品質(zhì)因素的方法?；靖拍顖D1顯示了提出的平面多信道上傳/下載濾波器的原理圖，這樣設(shè)計是為了實現(xiàn)所有信道的高效率和穩(wěn)定的品質(zhì)因素?；诋愘|(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體的概念，該器件由多個晶格常數(shù)成比例的光子晶體板PC1，PC2，PC3.組成，其中每個光子晶體板具有不同的工作波長。當(dāng)一束多波長光的入射到此器件上，并通過輸入波導(dǎo)傳播，光和每個光子晶體區(qū)域的點缺陷腔產(chǎn)生諧振，并被腔所俘獲; 被俘獲在每個腔中的光可以被提取到一個單獨的輸出波導(dǎo)。這里，相鄰光子晶體區(qū)域之間的異質(zhì)結(jié)界面充當(dāng)了波長選擇鏡的功能。如圖1所示，部分諧振光穿過了點缺陷腔而沒有

51、被俘獲。也有一定比例被俘獲在點缺陷里的光與腔體耦合，并且通過輸出波導(dǎo)朝下一個光子晶體區(qū)域傳播。然而，濾波器的結(jié)構(gòu)經(jīng)過設(shè)計，傳播到下一個光子晶體的光可以被異質(zhì)結(jié)界面反射回來。調(diào)整反射到異質(zhì)結(jié)界面上的光的相位可以消除干擾，減少光從點缺陷腔傳播回端口1的比例，同時加強對輸出端口傳播的比例。在理想情況下，這種干擾可能會導(dǎo)致只能從輸出端口提取諧振光。此外，多信道的下載操作可以實現(xiàn)，器件的設(shè)計可以使沒有與先前的濾波單元產(chǎn)生諧振的光傳輸在異質(zhì)結(jié)構(gòu)表面。這種透射光可以通過另一種合適設(shè)計異質(zhì)結(jié)構(gòu)濾波單元的器件來消除。此外，當(dāng)維持效率和品質(zhì)因素的時候，工作波長可以改變，因為異質(zhì)結(jié)構(gòu)光子晶體的工作波長與晶格常數(shù)成比

52、例，但效率和品質(zhì)因素是無量綱參數(shù)。因此，一旦我們優(yōu)化一個異質(zhì)光子晶體的設(shè)計，我們可以簡單地連接多個的比例結(jié)構(gòu)，并期望所有信道上傳/下載操作有相同的效率。由于過濾裝置的厚度難免不同，在以下實驗中采用的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是不完全成正比，品質(zhì)因素和效率預(yù)計將以晶格常數(shù)幾個百分比而不斷變化。圖1.在第二節(jié)里描述的多信道上傳/下載濾波器的原理圖濾波單元的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)在本節(jié)中，我們根據(jù)在第二節(jié)中所描述的設(shè)計，報告了一個器件的實驗結(jié)果。圖2（a）顯示了制作的濾波器單元的掃描電子顯微圖，圖2（b-d）顯示了器件重要部分的放大視圖。這個器件由兩塊光子晶體板PC1和PC2組成，晶格常數(shù)分別為a1=0.420m，a2=0.

53、415m，如圖2（b）所示。A=/a=1.012。這里，這個值被選定為在PC2中比PC1中的點缺陷腔的諧振波長較短的截止波長。點缺陷腔和異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面之間的距離設(shè)置為d=5a1，因為這個距離被發(fā)現(xiàn)是反射光在異質(zhì)結(jié)界面上的最優(yōu)相位條件。圖2（c）顯示了一個放大的點缺陷腔視圖，其中包括三個缺失的氣孔。為了使他的性能最大化，這六氣孔最近的兩個邊緣的位置被做了細微地調(diào)整；在A位置的氣孔位移了0.173a1，B位置的位移了0.173a1，C位置的位移了0.173a1（參見圖2(c)）。點缺陷腔的內(nèi)在品質(zhì)因數(shù)非常高，大約有100000。為了抑制平面內(nèi)的損耗，利用一個具有很高的內(nèi)在品質(zhì)因素的腔體對于平面類型器件是至關(guān)重要的。點缺陷腔放置在PC=的中心位置，在輸入和輸出波導(dǎo)之間，距離每個波導(dǎo)的距離為2.53a1。對于多通道操作，使輸出波導(dǎo)彎曲；調(diào)整在角落的兩個氣孔的尺寸，使彎曲波導(dǎo)的傳輸頻率和點缺陷腔的諧振頻率相匹配，如圖2（d）所示。兩個氣孔的半徑都設(shè)置為rc=0.26a1，這個要比普通氣孔的半徑0.30a1要小。據(jù)估計,彎曲效率會大于90%。在二氧化硅或硅為襯底的超薄硅板上形成2D-PC模型 圖2.制作器件的掃描電子顯微圖。（a）制作完成的基本濾波單元的俯視圖，顯示了光子晶體異質(zhì)結(jié)構(gòu)和高Q值納米諧振腔；