基于光子晶體的窄帶濾波器結構設計與性能分析.pdf

1、濾波器是一種在通信領域中可用來消除干擾的器件，能夠對特定的頻點或者該頻點以外的頻率進行有效地濾除。目前，市場上應用最多的是由晶體諧振器組成的晶體濾波器，與早期的LC諧振回路構成的濾波器相比，雖然晶體濾波器在頻率選擇性、頻率穩(wěn)定性以及損耗等方面都得到了優(yōu)越發(fā)展，但是仍然不能滿足未來對高集成度高速率的信號處理的要求。針對這些不足，我們設計了基于光子晶體的濾波器結構。光子晶體最主要的特性是具有光子晶體帶隙，在光子晶體中引入點缺陷或線缺陷的時候

2、，缺陷兩側的光子晶體類似于反射墻，使具有缺陷的光子晶體具有低損耗，高透射率等優(yōu)點。此外，光子晶體結構設計靈活，體積小，速度快，光子晶體濾波器的發(fā)展前景可觀。
　　本文運用COMSOL Multiphysics4.3b軟件分別設計并研究了基于二維光子晶體的用于1.5um紅外光通信的窄帶濾波器，尺寸為8um*8um，采用正方格子以及三角格子兩種結構，兩種結構均是以空氣中介質柱的形式呈現(xiàn)，介質柱采用介電常數(shù)為11.4的硅材料。本文以TM

3、模式的電磁波為研究對象，首先利用COMSOL Multiphysics4.3b內置的S參數(shù)分析了兩種晶格結構的完美光子晶體的反射與透射特性，確定了完美光子晶體的帶隙范圍，并詳細研究了晶格常數(shù)，介質柱半徑，介電常數(shù)等各種結構參數(shù)值的改變對帶隙范圍的影響，對上述結構參數(shù)進行了優(yōu)化，將優(yōu)化結果用于后續(xù)的窄帶濾波器的設計。窄帶濾波器由微腔和波導兩部分構成。微腔是在完美光子晶體結構的中心位置去掉一個Si介質柱引入一個點缺陷而形成的；波導則是分別在

4、微腔的右上方以及左下方同時引入兩個線缺陷而形成的，通過微腔與波導之間的耦合作用從而實現(xiàn)電磁波從入口到出口的濾波過程。微腔和波導的結構參數(shù)如晶格常數(shù)、Si介質柱半徑、波導長度（即反射器中Si介質柱的數(shù)量）等對窄帶濾波器的共振頻率、透射系數(shù)和品質因子等特性都有影響，因此，論文中分別對微腔和波導的上述結構參數(shù)進行了優(yōu)化。本文設計的目的是用于1.5um紅外光通信，窄帶濾波器的共振頻率應為2e14Hz。對于基于正方格子光子晶體的窄帶濾波器，當共振

5、頻率為2e14Hz時，優(yōu)化的結構參數(shù)分別為：晶格常數(shù)a'1=0.6384um，介質柱半徑r1'=0.1159*a'1，介電常數(shù)ε'1=11.4，反射器中介質柱的數(shù)量N1=7，反射器中介質柱的半徑rr1=1.5*r1'，濾波器的尺寸S1=13*13（13為濾波器在x、y方向上介質柱的個數(shù)），其透射系數(shù)為0.953，品質因子為1330；對于基于三角格子光子晶體的窄帶濾波器，當共振頻率為2e14Hz時，優(yōu)化的結構參數(shù)分別為：晶格常數(shù)a'2=0

6、.6518um，介質柱半徑'2r=0.1316*a'2，介電常數(shù)ε'2=11.4，反射器中介質柱的數(shù)量N2=6，反射器中介質柱的半徑rr2=0.6*r'2，濾波器的尺寸S2=11*12*13（11、12分別為三角格子濾波器中偶數(shù)行、奇數(shù)行中介質柱的數(shù)量，13為y方向上介質柱的數(shù)量），其透射系數(shù)為0.87，品質因子為1428。本文設計的窄帶濾波器共振頻率在2e14Hz處，尺寸在微米量級，易于集成，為紅外光通信以及大型光學集成電路的研究提供