超小型宽带硅基太赫兹波段反射器设计

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太赫兹(Terahertz, THz)波是指频率在0.1THz-10THz范围内的电磁波,由于其具有很高的频宽、空间分辨率和时间分辨率,不会对物质产生破坏作用及很强的方向性,已引起了人们在医学成像、安全采样、通信、化学传感及太空成像等领域的广泛关注。随着这些应用的不断深入,人们越来越希望通过十分紧凑小型化的光电线路来控制太赫兹的产生、检测等功能。具有高反射率的超宽带反射器是构建上述光源及检测器的关键组件,因此设计出性能优越的小型超宽带反射器具有很重要的实际应用意义。另一方面,光子晶体由于其独特的可在波长尺度内控光能力给超小型光集成带来了希望。它能够根据特定的需要进行合理的引入缺陷或改变结构,具有一定的可调节性,这种光子晶体结构同样也适用于太赫兹波段。本文基于光子晶体平板,利用导模共振效应设计了一种太赫兹波段反射器结构,即主要基于正方晶格的硅基光子晶体平板反射器结构。利用严格耦合波法(RCWA)对反射器结构进行数值分析,研究了不同结构及相应物理参数对反射器带宽及反射率的影响,并对反射器进行优化,最终获得了小型超宽带反射器。本文主要包括两大部分:1.基于单层二维正方晶格硅基光子晶体平板,暂时先不考虑低旁瓣的要求,设计了宽带太赫兹反射器结构。先分析光在垂直入射的情况下反射器的性能,再讨论了倾斜入射时对反射器性能的影响,并考虑了不同的偏振。2.在不考虑低旁瓣的前提下,将单层光子晶体平板改成双层光子晶体平板,通过调整优化结构参数使反射器的相对带宽进一步加宽。然后基于多层介质膜机理,通过部分刻蚀单层光子晶体平板并置于另一个简单平板形成的新结构之上,进而优化相关物理参数如部分刻蚀厚度、两板间隙等,最终得到相对带宽较宽,两边旁瓣受到抑制的反射器结构。本论文的创新之处:第一本文提出基于光子晶体导模共振效应设计太赫兹波段宽带反射器,与传统基于多层介质膜的结构相比较,结构简单(一般仅需单层光子晶体平板,无需类似多层膜结构对物理参数的严格控制),进而材料选择简单;第二提出了反射器性能的优化方法,全局分析法,定义了最大局部带宽和相对中心波长,并通过调整优化最大局部带宽来获得性能良好的反射器结构,进而直观有效地分析了反射器性能;第三,基于多层介质膜的设计理念提出部分刻蚀平板光子晶体组合另一简单平板结构实现低旁瓣、高宽带的反射器。
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