论文部分内容阅读
近年来,在电磁波谱上介于毫米波和红外光之间的太赫兹波逐渐成为科学研究的热点。太赫兹波波源以及探测技术的突破性进展使得太赫兹波功能器件得到了大力发展。本文以研究基于光子晶体结构的太赫兹波功能器件为出发点和目标,对光子晶体波导耦合效应,多模干涉效应及自映像效应,以及磁可调材料镥铋石榴石的电磁特性进行了理论分析和研究,先后设计了四个基于太赫兹波光子晶体结构的太赫兹波功能器件,主要成果如下:1.设计了四通道结构的太赫兹波解复用器,器件基于二维光子晶体结构进行设计,研究了光子晶体波导耦合理论,不同入射频率的太赫兹波具有不同的耦合长度,通过引入四个线缺陷光子晶体波导,形成三个定向耦合光子晶体结构,利用相邻光子晶体波导间的定向耦合作用,实现对四个不同入射频率f1=0.524THz,f2=0.537THz,f3=0.560THz,f4=0.585THz的太赫兹波经不同输出端口分离输出,输出效率分别可达97.1%、93.7%、93.0%、91.2%,该器件尺寸极小（6.8×10.6mm2）,插入损耗低,串扰小,尺寸紧凑。本节论文已发表在2015年Optics Communications的第350卷248-251页（SCI）。2.设计了多通道可调的太赫兹波滤波器,器件基于二维光子晶体结构及磁可调材料镥铋石榴石单晶（LuBiIG）进行设计,分析了磁可调材料镥铋石榴石单晶（LuBiIG）的磁可调电磁特性,引入三个线缺陷光子晶体波导,形成两个镥铋石榴石（LuBiIG）光子晶体结构,利用相邻光子晶体波导间的定向耦合作用实现对三个不同入射频率f1=0.528,f2=0.612,f3=0.663的太赫兹波经不同输出端口分离输出,输出效率分别达96.3%、95.1%、95.3%,并通过改变对两个镥铋石榴石（LuBiIG）光子晶体结构施加的外加磁场强度来改变介质柱折射率从而实现对不同入射频率的太赫兹波实现变换通道输出的功能,从而实现可调性能,该器件尺寸极小（3.8mm×10mm）,插入损耗低,消光比高,尺寸紧凑。本节论文已发表在2015年IEEE TRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY的第4期第5卷551-555页（SCI）。3.设计了多通道可调结构的太赫兹波功分器,器件基于二维光子晶体结构及磁可调材料镥铋石榴石单晶（LuBi IG）进行设计,分析了表面波模式光子晶体波导的特性,利用时域有限差分法对器件进行了仿真验证,引入一个输入光子晶体波导,一个1×3光子晶体波导以及三个1×2的T形光子晶体表面波模式波导组成,器件有六个输出端口。利用磁可调材料镥铋石榴石单晶（LuBiIG）的磁可调性能,在未施加外加磁场时,实现一分六的功分功能,各通道输出功率达16.2%,总输出功率达97.2%。当施加外加磁场时,实现一分四的功分功能,各通道输出功率达24.2%,总输出功率为96.8%。器件尺寸为22a×30a（4.4×6.0mm2）,相比于传统太赫兹波光子晶体功分器,本设计采用了表面波模式光子晶体波导进行设计,缩减了近一半的尺寸,结构紧凑,且器件并具备可调性能,可变换功分倍数。本节论文已发表在2015年Optics Communications的第356卷616-619页（SCI）。4.设计了光子晶体的太赫兹波偏振分束器,根据光子晶体波导多模干涉及自映像效应,对光子晶体和传统硅波导的多模干涉耦合结构相结合进行设计,通过对光子晶体层的参数设计使透射的TE波及反射的TM波分别在两个端口成像输出,实现偏振分束性能。TE和TM波的最小消光比分别为18.36dB和13.35dB,器件尺寸为4.825×0.4mm。本设计在传统硅波导中嵌入光子晶体,整个器件的长度不需要满足耦合长度的整数倍这一要求,显著缩小了分束器的尺寸大小,器件结构极为紧凑,便于加工制作,且输入输出波导采用传统硅波导,极易与其他器件实现集成。本节论文已发表在2014年Optoelectronics Letters的第10卷第5期325-328页（EI）。