微帶光子晶體及其在微波器件中的應(yīng)用.pdf

1、近年來，光子晶體因其對電磁波特殊的操控能力引起了人們的廣泛興趣?；诠庾泳w概念的光學(xué)器件已經(jīng)可以對電磁波在其中的傳播方向、傳播速度、能量分布以及色散特性等方便地進(jìn)行控制。而借助于成熟的制備加工工藝，光子晶體的概念被迅速引申到微波波段，本文中主要研究的微帶光子晶體就是光子晶體在微波波段的一個重要研究方向。微帶光子晶體具備許多傳統(tǒng)光子晶體所沒有的特點(diǎn)，如，可通過控制微帶器件中的分布參數(shù)對折射率的空間分布方便地進(jìn)行調(diào)控、雙導(dǎo)體結(jié)

2、構(gòu)可為器件提供多種引入周期性結(jié)構(gòu)的方式、波導(dǎo)的連通性可以方便地進(jìn)行改變等等。本論文中，我們結(jié)合這些特性對微帶光子晶體及其中局域模式進(jìn)行了較為深入的研究，提出了多種高性能的微波器件，并通過電磁場數(shù)值仿真以及微波實驗對這些原理和器件進(jìn)行了驗證。論文第二章中，我們主要研究了波導(dǎo)連通性的改變對于光子晶體缺陷模的影響，首次提出了一種具有分枝型結(jié)構(gòu)的微帶光子晶體缺陷，其最大的特點(diǎn)是，以其設(shè)計的多通道濾波器的體積將不再隨通道數(shù)的增加而變大

3、。我們知道，傳統(tǒng)的多通道濾波器需要通過增加缺陷的長度或者缺陷的個數(shù)來實現(xiàn)多通道濾波效應(yīng)。這樣，當(dāng)通道個數(shù)較多時器件的體積將迅速增大。而通過引入分枝型缺陷，即在缺陷區(qū)域引入對應(yīng)于不同諧振頻率的多條微帶路徑，可以使得禁帶中通訊頻道的個數(shù)不再與光子晶體中缺陷的個數(shù)相關(guān)聯(lián)，而是由同一缺陷區(qū)域微帶通道的個數(shù)決定。因此，這種基于分枝型缺陷的多通道濾波器可以有效地減小器件的體積。數(shù)值仿真和微波實驗都對這一效應(yīng)進(jìn)行了驗證。另外，通過電路仿

4、真，我們還設(shè)計了一種具有分枝型結(jié)構(gòu)，并且含有左手材料的微帶多通道濾波器，進(jìn)一步減小了器件的體積，優(yōu)化了器件的性能。論文第三章中，我們提出可以將微帶光子晶體缺陷作為一種有效高度色散材料，將其與傳統(tǒng)微帶線諧振器相結(jié)合可以得到一種高效的微帶光子晶體諧振器，其品質(zhì)因子的增加非常迅速而其透射效率的下降卻十分緩慢。文中通過數(shù)值仿真說明了將微帶光子晶體缺陷作為一種有效高度色散材料的可行性，并進(jìn)一步指出其色散特性可以通過簡單地改變結(jié)構(gòu)參數(shù)來

5、進(jìn)行控制。將這種有效材料與傳統(tǒng)的微帶線諧振器相結(jié)合得到的復(fù)合型微帶諧振器可以有效的減小諧振峰的線寬，其品質(zhì)因子也可以由其結(jié)構(gòu)參數(shù)簡單控制。數(shù)值仿真和微波實驗的結(jié)果都說明：復(fù)合型微帶諧振器品質(zhì)因子的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的微帶線諧振器，而與此同時其諧振峰透射率的下降十分緩慢。這提示我們，通過控制人工結(jié)構(gòu)的色散特性，而不是直接采用具有高度色散的自然材料，可能為提高固態(tài)器件的性能提供一個新的途徑。另外，為減小由諧振腔邊界處電磁場的輻

6、射與散射而造成的能量損失，我們還對這種基于有效高度色散材料的微帶光子晶體諧振器進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，從而使得其品質(zhì)因子得到再次提高。論文第四章中，我們首先介紹了一種基于光子晶體局域模的微帶耦合器。光子晶體局域模對于電磁波具有很強(qiáng)的束縛作用，可以將電磁能量約束在一個很小的區(qū)域中。將其中高度局域的電磁能量通過另一條微帶線進(jìn)行耦合，可以得到更高的耦合效率。實驗與仿真結(jié)果都表明，與傳統(tǒng)的微帶線濾波器相比，基于光子晶體局域模的微帶耦合