一維光子晶體濾波器的設(shè)計(jì)

一維光子晶體濾波器的設(shè)計(jì)

0利用卡塞格倫天線進(jìn)行的直接追蹤長(zhǎng)期以來，微波和紅外段的通信、檢測(cè)、調(diào)查、報(bào)警、跟蹤和目標(biāo)研究一直在進(jìn)行。隨著對(duì)通信碼速率、容量和保密性以及對(duì)全天候和高性能的目標(biāo)探測(cè)、跟蹤系統(tǒng)需求的快速增長(zhǎng),移動(dòng)目標(biāo)之間的近紅外和可見光領(lǐng)域的通信、探測(cè)與跟蹤技術(shù)受到了人們的高度重視。在這些系統(tǒng)的應(yīng)用中,光學(xué)天線普遍采用的是卡塞格倫天線系統(tǒng)。光子晶體于1987年由E.Yabolonovitch和SJohn分別提出。通過改變不同折射率材料的堆積方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)光傳播的控制。堆積方式的改變可以在一維、二維和三維方向上進(jìn)行,與之相對(duì)應(yīng)就形成了一維、二維和三維光子晶體。一維光子晶體是介電常數(shù)不同的材料在一個(gè)方向上周期性調(diào)制而其他兩方向均勻的多層結(jié)構(gòu),其用途可以作為濾波器、高反鏡等。文中介紹了基于一維光子晶體的全反射鏡和濾波器設(shè)計(jì)及其在卡塞格倫光學(xué)天線系統(tǒng)中的應(yīng)用。1波的波長(zhǎng)的計(jì)算設(shè)計(jì)一維光子晶體濾波器時(shí),通常采用傳輸矩陣法進(jìn)行分析。根據(jù)參考文獻(xiàn),當(dāng)光波穿過單層介質(zhì)時(shí),介質(zhì)層入射面上的光波(E0、H0)與出射面上的光波(E1、H1)有如下的關(guān)系:式中:δ=2πndcosθ/λ,λ為入射波的波長(zhǎng),n為介質(zhì)的折射率,d為介質(zhì)層的厚度,θ為入射角度。TM模時(shí),,TE模,。文中以TE模為例進(jìn)行計(jì)算。對(duì)一個(gè)由N層介質(zhì)組成的一維光子晶體,其傳輸矩陣可寫為各層傳輸矩陣的乘積,如:進(jìn)一步可得整個(gè)結(jié)構(gòu)的透射系數(shù)及透射率:在介質(zhì)高反射膜的設(shè)計(jì)中,通常遵循的原則是:取兩種交替介質(zhì)薄膜的光學(xué)總厚度為工作波長(zhǎng)的1/4。由于對(duì)不同角度的入射光,介質(zhì)薄膜的光學(xué)厚度不同,而且一維光子晶體沒有完全禁帶,所以一般認(rèn)為利用多層介質(zhì)不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)光的全反射。但是,Y.Fink等注意到,實(shí)際使用多層介質(zhì)膜作全反射鏡時(shí),入射到它表面的光沿介質(zhì)膜法向的波矢必須是純實(shí)數(shù)。因此,設(shè)計(jì)的一維光子晶體只要在光錐內(nèi)存在完全禁帶,就是一個(gè)理想的介質(zhì)全方向反射鏡。2缺陷層光學(xué)厚度對(duì)光子晶體濾波器的影響首先考慮濾波器的設(shè)計(jì),由3種介質(zhì)構(gòu)成(A,B,F),折射率為(n1,n2,nf)。左右兩邊為周期分布的介質(zhì)膜,其折射率分布為n1、n2,中間一層為不同的介質(zhì)膜nf。研究的一維光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)為A(BA)NF(AB)MA。A為高折射率材料聚砜醚(PES),n1=2.8,B為低折射率材料硒化砷(As2Se3),n2=1.4,取兩層的光學(xué)厚度n1d1=n2d2=λ0/4。λ0取為空間光通信系統(tǒng)中常采用的1550nm。中間缺陷層材料為氧化鎂(MgO),折射率為nf=1.7,其光學(xué)厚度選擇為λ0/2,在實(shí)際的制作中,可以采用鍍膜技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的光子晶體濾波器。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,只考慮正入射情況。主要討論以下兩個(gè)因素對(duì)光子晶體濾波器的影響:A(AB)NF(AB)MA結(jié)構(gòu)中A與B的厚度比和中間缺陷層。在分析過程中,首先選取了N=M=6來進(jìn)行計(jì)算,假定缺陷層的參數(shù)不發(fā)生改變。下面分析濾波器結(jié)構(gòu)中A與B的厚度比變化對(duì)光子晶體濾波器性能的影響,如圖1所示。A、B的光學(xué)厚度之和仍然為λ0/2。在圖1(a)中,x坐標(biāo)是波長(zhǎng),y坐標(biāo)是A層的厚度,z坐標(biāo)是透過率。在處理厚度變換時(shí),A層與B層的光學(xué)厚度被限定在0.9747~1.0260,從圖中可以看出:原來在1550nm的透過峰出現(xiàn)了一系列復(fù)雜的周期性變化,其位置和大小都有了改變。為了更進(jìn)一步說明問題,選擇了厚度比為1∶1、2∶3和1∶4,作出了其透過率的仿真曲線。從圖1(b)可以看出:厚度比變化(不再滿足n1d1=n2d2=λ0/4條件),透過峰的大小和位置都發(fā)生了變化,隨著A層(高折射率層)厚度的減少而向短波方向移動(dòng),但是移動(dòng)的距離與變化比例之間沒有顯式的函數(shù)關(guān)系,并且透過峰的大小也發(fā)生了變化。中間缺陷層對(duì)光子晶體濾波器的影響體現(xiàn)在折射率變化和長(zhǎng)度變化上,在正入射條件下,這兩種變化最終都反映到對(duì)光學(xué)長(zhǎng)度的影響上,所以文中討論缺陷層對(duì)光子晶體濾波器的影響時(shí),不再分別討論這兩種變化,而是統(tǒng)一討論其光學(xué)長(zhǎng)度變化對(duì)光子晶體濾波器的影響。仍然采用之前使用的參數(shù):N=6、M=6,A、B兩層光學(xué)厚度滿足n1d1=n2d2=λ0/4。在此基礎(chǔ)上,選擇缺陷層的光學(xué)厚度為770~780nm,旨在分析缺陷層厚度在滿足λ0/2條件下,做微小擾動(dòng)帶來的影響。與前面討論濾波器結(jié)構(gòu)中的重復(fù)部分光學(xué)長(zhǎng)度變化帶來的影響相類似,缺陷層厚度變化帶來了透過峰位置和大小的一系列復(fù)雜變化,如圖2(a)所示。為了精細(xì)分析缺陷層光學(xué)厚度變化帶來的影響,將仿真的范圍限定在1500~1600nm,每次步進(jìn)波長(zhǎng)為0.01nm。如圖2(b)所示,增加光學(xué)長(zhǎng)度,濾波器的透過峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng),減小光學(xué)長(zhǎng)度,濾波器的透過峰向短波方向移動(dòng),這也就驗(yàn)證了圖2(a)中的變化。由于光學(xué)長(zhǎng)度取值從770nm到780nm不斷變化,透過峰的位置也在不斷變化,故在利用Matlab顯示的時(shí)候,由于變化范圍相對(duì)較小,透過峰密集地集中在1550nm附近,見圖2(b)。從以上分析可以看出:光子晶體濾波器結(jié)構(gòu)A(AB)NF(AB)MA中,厚度比變化能夠影響透過峰的位置和大小,缺陷層光學(xué)厚度在小范圍變化時(shí),影響的主要是透過峰的位置。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,首先結(jié)合具體的制造工藝,滿足重復(fù)部分的λ0/4條件,在波長(zhǎng)改變不大時(shí),可以通過改變?nèi)毕輰雍穸葘ふ液线m的參數(shù)使透過峰移動(dòng)到所需要的位置,而重復(fù)部分的周期數(shù)N和M則可以調(diào)整合適的禁帶寬度以達(dá)到設(shè)計(jì)的目標(biāo)。接著,考慮全反射鏡的情況?；窘Y(jié)構(gòu)單元為ABA的一維光子晶體中TM模的本征方程為:式中:pj=kz(j)hj;△=ε2kz(1)/ε1kz(2)。通過仿真可知:當(dāng)周期a不變、厚度比不變、折射率比增大時(shí),則頻率范圍增大。同樣也可以仿真研究厚度、厚度比的改變對(duì)全反射帶的影響,限于篇幅,文中沒有給出厚度、厚度比的仿真圖形,但仿真結(jié)果表明:其影響次于上述討論的介電常數(shù)(或折射率)比值的影響。由此可根據(jù)空間光通信中的應(yīng)用需要調(diào)節(jié)以下參數(shù):(1)介質(zhì)的厚度比;(2)介電常數(shù)比;(3)厚度。當(dāng)需要帶寬較大時(shí),則增大相對(duì)介電常數(shù)比;當(dāng)需要增大頻率時(shí),盡量增加厚度比且設(shè)計(jì)第一層為低折射率介質(zhì),當(dāng)需要獲得較低頻率的全反射時(shí),增大厚度比,且第一層為高折射率介質(zhì)。將光通信應(yīng)用的另一個(gè)波長(zhǎng)范圍780~901nm設(shè)計(jì)在光子晶體的全反射帶內(nèi),如圖3所示,該結(jié)構(gòu)的光子晶體就可以在全方向上全反射光,其結(jié)構(gòu)參數(shù)為:a=0.22μm,l1/l2=1∶2,ε1∶ε2=16∶2,仿真得到對(duì)應(yīng)頻率范圍為:a/λ=ωa/2πc∈(0.2030,0.2940)。其中,厚度為亞微米級(jí)。對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍約為:λ∈(748,1083)nm。以此設(shè)計(jì)光通信系統(tǒng)反射鏡即可實(shí)現(xiàn)對(duì)780~910nm范圍的激光的全反射。3光子晶體準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路利用傳輸矩陣法設(shè)計(jì)了一維光子晶體濾波器,并分析了影響其性能的幾個(gè)因素,由光波在一維光子晶體中傳播的TM模和TE模本征方程,并針對(duì)具體的指標(biāo)進(jìn)行一維光子晶體全反射鏡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖4是設(shè)計(jì)制作的一套空間光通信系統(tǒng),采用卡塞格倫光學(xué)天線,其激光發(fā)射部分原理為:激光束通過圖中信標(biāo)光1、信號(hào)光半導(dǎo)體激光器2發(fā)出,然后經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)3、4后進(jìn)行準(zhǔn)直;再經(jīng)過光傳輸系統(tǒng)進(jìn)入天線的擴(kuò)束系統(tǒng)和卡塞格倫天線的副鏡直到主鏡,然后將激光束以高精度(低發(fā)散角)準(zhǔn)直方式發(fā)射出去;接收部分原理為:接收到的激光束通過粗跟蹤探測(cè)器17和精跟蹤探測(cè)器21、24分別進(jìn)行探測(cè),從而控制ATP系統(tǒng)工作。對(duì)于信號(hào)光可以通過光路設(shè)置,使之進(jìn)入存儲(chǔ)系統(tǒng)中進(jìn)行高速率、大容量高密信息存儲(chǔ)。所設(shè)計(jì)的光子晶體濾波器件應(yīng)用于聚焦透鏡23之前,可以有效地減少整個(gè)天線系統(tǒng)的探測(cè)噪聲,提高系統(tǒng)的信