THz波段的F_P光子晶体滤波器
光子晶体滤波器的研究
光子晶体滤波器的研究光子晶体滤波器是一种基于光子晶体结构的滤波器，它利用光子晶体的特殊性质来控制光的传播和频率选择性地过滤光信号。
光子晶体是一种由周期性的折射率分布构成的光学材料，它具有光子禁带结构，可以在特定的频率范围内完全禁止光的传播。
光子晶体滤波器的研究主要涉及到光子晶体的设计、制备和性能优化等方面。
首先，研究者需要通过数值模拟方法来设计光子晶体的结构和参数，以实现特定的滤波功能。
这包括确定晶体的周期和折射率分布等关键参数。
其次，制备光子晶体材料是研究的关键步骤之一。
目前常用的制备方法包括自组装法、纳米加工法和光刻技术等。
自组装法是一种通过控制微粒自组装形成光子晶体结构的方法，具有制备简单、成本低等优点。
纳米加工法则是利用纳米加工技术在材料上制备出周期性结构，具有制备精度高、结构可控等特点。
光刻技术则是利用光敏材料和光刻胶的化学反应来制备光子晶体结构，制备工艺复杂但制备精度高。
最后，研究者需要对光子晶体滤波器的性能进行优化和测试。
通过调整光子晶体的结构参数，可以实现滤波器的频率选择性和带宽等性能指标的优化。
同时，对滤波器的传输特性和损耗进行测试和评估，以验证其实际应用价值。
光子晶体滤波器的研究具有广泛的应用前景。
例如，在光通信领域中，光子晶体滤波器可以用于波分复用系统中的波长选择器，实现多个波长信号的同时传输。
在光传感领域中，光子晶体滤波器可以用于检测和分析特定频率的光信号，用于生物传感和环境监测等方面。
总之，光子晶体滤波器的研究对于光学领域的发展具有重要的意义。
通过对光子晶体结构和性能的深入研究，可以实现更高性能的光子晶体滤波器，并推动其在光通信、光传感等领域的应用。
新型光子晶体THz滤波器
新型光子晶体THz滤波器作者：戈晓恒陈鹤鸣来源：《物联网技术》2014年第06期摘要：提出了一种新型基于光子晶体的太赫兹滤波器，该滤波器在线缺陷中设计了由三个点缺陷构成的谐振腔，能够实现双波长的高效滤波功能。
文中使用平面波展开法（PWM）分析了正方晶格光子晶体的带隙结构，并利用时域有限差分法（FDTD）研究了滤波器的一些性能指标。
仿真结果表明，该新型滤波器能够把频率为3.413 THz和3.222 THz的太赫兹波滤出，并且具有滤波带宽窄、体积小等优点。
关键词：光子晶体；THz波；滤波器；时域有限差分法中图分类号：TN713；O451文献识别码：A文章编号：2095-1302（2014）06-0032-020引言随着太赫兹[1-3]通信技术的不断发展，各种性能优良的太赫兹通信器件[4-6]成为了人们迫切的需求。
THz滤波器是通信系统中的基本器件，滤波器能够选择滤出携带特定信息的波，另外也可以降低系统中的噪声干扰从而提高了整个系统的性能。
光子晶体是一种新型的材料，利用其对光具有非常好的处理能力，研究人员设计出许多性能很好的太赫兹通信器件[7-8]。
光子晶体太赫兹滤波器[9-10]的设计主要分为两类：一维光子晶体滤波器和二维光子晶体滤波器。
本文是利用正方晶格二维光子晶体设计出了一种新型THz滤波器。
目前大部分THz滤波器是利用在二维光子晶体中引入线缺陷和单个点缺陷形成的谐振腔来实现THz波的耦合滤波[11-13]。
但是单个点缺陷只能出现单个缺陷模，不利于多波长的同时处理。
为了设计出多个缺陷模的谐振腔，本文设计了在二维光子晶体的线缺陷中中引入三个点缺陷按照一定规律构成的谐振腔，这种滤波器结构简单，而且可以实现双波长的滤波功能。
仿真结果表明该新型滤波器能够同时实现双波长滤波，结构简单易于集成并且耦合下载效率高，在未来太赫兹通信系统中将有重要的应用价值。
1新型THz滤波器的结构模型本文中THz滤波器采用的是二维正方晶格光子晶体，圆形介质柱构成了光子晶体结构，介质柱材料为硅，折射率为3.4，背景材料为空气折射率为1，周期常数是30 洀，而硅介质柱半径是6 洀，具体的结构如图1所示。
光子晶体THz波分插复用器的设计与性能分析的开题报告
光子晶体THz波分插复用器的设计与性能分析的开题报告1. 研究背景和意义随着无线通信技术以及THz波谱技术的迅速发展，光子晶体THz波分插复用器成为了当前研究的热点。
光子晶体是一种具有周期性介电常数分布的材料，能够控制光的传播性质，具有许多优良的光学特性。
而THz波谱技术则是一种在THz波段进行的光学谱学分析技术，具有高分辨率、非破坏性等优点。
因此，将光子晶体应用于THz波的分插复用器中，不仅能够控制THz波在光子晶体中的传播行为，也能够实现对THz 波的频域控制，满足THz波通信和分析的应用需求。
2. 研究目标本次研究旨在设计和制备一种光子晶体THz波分插复用器，以控制THz波的频域特性，满足THz波通信和分析的应用需求，并对其性能进行分析和优化。
3. 研究内容（1）对光子晶体的物理特性进行分析。
包括介电常数分布、频域特性、传输波导的设计等方面。
（2）设计和制备光子晶体THz波分插复用器。
根据光子晶体的物理特性，通过仿真和实验来确定其结构参数，制备光子晶体THz波分插复用器，并进行性能测试。
（3）对光子晶体THz波分插复用器的性能进行分析和优化。
通过实验和理论分析，得出其在不同频段的传输损耗、带宽、插入损耗等性能指标，并对其进行优化。
4. 研究方法（1）理论分析：采用计算机模拟方法，通过建立有限元电磁场模型来分析光子晶体在THz波段的频域特性和传输特性。
（2）实验制备：采用化学合成、光刻、离子束刻蚀等方法，制备具有周期性介电常数分布的光子晶体THz波分插复用器。
（3）实验测试和分析：采用自制的THz波谱仪进行实验测试，对性能指标进行评估和分析，并对光子晶体THz波分插复用器的性能进行优化。
5. 预期成果本次研究预计能够设计和制备出一种具有优良传输特性的光子晶体THz波分插复用器，并对其性能指标进行分析和优化，为THz波通信和分析技术的发展提供重要的理论和实践基础。
一种光子晶体滤波器的设计_张琴
一种光子晶体滤波器的设计_张琴
光子晶体滤波器是一种基于光子晶体的设备，用于选择性地传递或阻挡特定波长的光。
它的设计原理基于光子晶体的周期结构和禁带特性。
光子晶体是一种具有周期性折射率的材料，其中周期性结构会导致光在特定波长范围内的传播受到限制。
通过调整光子晶体的结构参数，可以实现特定波长的滤波效果。
在设计光子晶体滤波器时，首先需要选择适合的光子晶体材料。
常见的光子晶体材料包括二维和三维周期性结构的介质。
根据应用需求，可以选择具有不同禁带宽度和传输特性的材料。
接下来，需要确定滤波器的操作波长范围。
根据所需的光谱特性，可以选择滤波器的中心波长和带宽。
根据中心波长和带宽，可以计算出光子晶体的结构参数，如周期和孔径。
设计光子晶体滤波器所需的结构参数可以通过自组装方法制备。
一种常用的自组装方法是通过光子晶体的自组装，即同时控制粒子的排列和填充。
通过调整材料浓度、溶剂浓度和温度等条件，可以实现不同结构参数的光子晶体。
在制备光子晶体滤波器时，还需要考虑光子晶体的制备工艺和操作性能。
例如，可以选择光子晶体的成核和生长方法，以获得所需的结构和光学性能。
设计好的光子晶体滤波器可以在光学通信、光谱分析、光子集成电路等领域中得到应用。
通过选择适当的材料和结构参数，可以实现特定波长的高透过率和低损耗。
总之，光子晶体滤波器的设计是一个需要考虑光子晶体材料、结构参数和制备工艺的综合问题。
通过合理设计和制备，可以实现高性能的滤波器，并为各种光学应用提供重要的功能。
基于倏逝波的光子晶体光纤THz
光子晶体光纤通常由性 排列,沿光纤的轴向不变,光纤的纤芯由缺失 空气孔或引入一个不同形状的空气孔形成
光子晶体光纤具有许多新颖独特的光传输特性 1.超宽带单模传输 2.色散高度灵活可调 3.大模场面积 4.高双折射效应 5.高非线性
THz波是指频率在0.1-10THz,对应波长在 3mm-30um脚范围内的电磁波，其波段位于 微波和红外光之间
• steering-wheel micro-structured optical fiber (SW-MOF)
• novel SW-MOF
谢谢！
当光由折射率为n2的光密介质入射到折 射率为n1 的光疏介质的界面上时,当入射角 度大于一定角度时就会发生全反射
振幅沿垂直于界面的方向衰减，可以表示为：
对于光纤的导模来说,光在纤芯和包层的界面处发生全 反射,它的电磁场主要被集中在光纤的纤芯中并呈驻波形式, 在纤芯外面的包层中,电场的增幅随距离纤芯的距离增大而 减小,如果在倏逝场的区域存在吸收型介质,波导模在纤芯 和包层的界面的反射系数就会小于1,导模就会发生衰减
三.基于倏逝场激发的表面等离子体共振 表 面 等 离 子 共 振 (surface plasma on resonance，SPR)是一种由光入射金属表面 引起的量子光电现象，但是表面等离子不 能由激光直接照射金属表面产生,可以利用 两介电常数相反的界面处发生的全反射产 生的倏逝波激发金属表面的自由电子产生 表面等离子体，当倏逝波和等离子体的的 频率和波失相等时,就会产生等离子体共振， 入射光被吸收。
高非线性精选pptthz波是指频率在0110thz对应波长在3mm30um脚范围内的电磁波其波段位于微波和红外光之间精选ppt当光由折射率为n的光疏介质的界面上时当入射角度大于一定角度时就会发生全反射精选ppt振幅沿垂直于界面的方向衰减可以表示对于光纤的导模来说光在纤芯和包层的界面处发生全反射它的电磁场主要被集中在光纤的纤芯中并呈驻波形式在纤芯外面的包层中电场的增幅随距离纤芯的距离增大而减小如果在倏逝场的区域存在吸收型介质波导模在纤芯和包层的界面的反射系数就会小于1导模就会发生衰精选ppt当前利用倏逝场传感的主要的方式有以下几种
光子晶体光纤滤波器的设计与性能研究
光子晶体光纤滤波器的设计与性能研究光子晶体光纤滤波器，在光通信领域发挥着重要的作用。
它的设计和性能研究，对于提高光纤通信系统的传输性能、减少光耦合损耗、增强光学信号处理能力等方面具有重要的意义。
一、光子晶体光纤滤波器的基础原理光子晶体光纤滤波器是一种基于光子晶体结构的光学器件。
光子晶体是一种具有周期性介电常数分布的材料，它可以通过调节介电常数的大小、周期和结构等来调控光子能量的传输和分布。
光子晶体光纤滤波器的基本原理就是利用光子晶体的调控作用，实现光的波长选择性传输和过滤。
光子晶体光纤滤波器的核心组成部分是一段光子晶体光纤。
光子晶体光纤是一种由光子晶体结构组成的光纤。
它具有周期性的介电常数分布结构，可以在一定范围内选择性地引导光子能量的传输和分布。
在光子晶体光纤中，由于光的能量被限制在周期性的介电常数分布结构中，光的能量密度被高度局限，从而可以实现波长选择性的过滤和传输。
二、光子晶体光纤滤波器的设计光子晶体光纤滤波器的设计需要考虑多种因素，如光子晶体结构、波长范围、滤波特性等。
其中，光子晶体结构的设计是关键因素之一。
光子晶体结构分为一维、二维和三维结构。
一维光子晶体结构是由一层介电常数周期性分布的材料组成的，常用于简单的滤波器和波长选择器中。
二维和三维光子晶体结构则更加复杂，能够实现更高级别的光学控制和加工。
在设计光子晶体光纤滤波器时，需要考虑具体应用场景和实现效果，选择合适的光子晶体结构。
同时，在滤波器的设计中，还需要考虑光子晶体光纤的长度、直径、折射率、波导长度等多种参数。
这些参数也会影响到滤波性能和传输特性。
三、光子晶体光纤滤波器的性能研究光子晶体光纤滤波器的性能研究是对其设计的验证和完善，也是对其实际应用的考验。
常见的光子晶体光纤滤波器性能指标包括传输特性、滤波特性、波长调谐范围、插入损耗等。
其中，传输特性是指光子晶体光纤滤波器对不同波长光的传输情况。
不同波长光在光子晶体光纤中的传输特性是不同的，因此需要研究滤波器在不同光波长下的传输性能。
光子晶体光波导滤波器的设计与优化研究
光子晶体光波导滤波器的设计与优化研究光子晶体光波导滤波器是一种基于光子晶体结构的光学器件，可以实现对特定波长的光信号进行滤波和调制。
它具有结构简单、工作稳定、响应速度快等优点，在光通信、光传感等领域有着广泛的应用前景。
一、光子晶体光波导的基本原理光子晶体是一种具有周期性折射率分布的材料，可以通过周期性的结构对光进行调控。
光子晶体光波导是在光子晶体中引入缺陷层，通过调节缺陷层的尺寸和形状，实现对特定波长光的传输和调制。
二、光子晶体光波导滤波器的设计光子晶体光波导滤波器的设计主要包括光子晶体结构的设计和缺陷层的设计。
光子晶体结构的设计需要考虑晶格常数、填充因子、周期数等参数，以实现对特定波长光的传输和调控。
缺陷层的设计则需要根据需要滤波的波长范围选择合适的材料和尺寸。
三、光子晶体光波导滤波器的优化光子晶体光波导滤波器的优化主要包括两个方面：一是对光子晶体结构进行优化，二是对缺陷层进行优化。
对光子晶体结构的优化可以通过改变晶格常数、填充因子、周期数等参数来实现。
通过优化这些参数，可以提高光子晶体的光学性能，使其在特定波长范围内有更好的滤波效果。
对缺陷层的优化可以通过改变材料和尺寸来实现。
选择合适的材料可以改变光子晶体的折射率，从而调节光的传输和调制特性。
而改变缺陷层的尺寸可以调节光子晶体的带隙宽度，从而实现对特定波长光的滤波效果的优化。
四、光子晶体光波导滤波器的应用光子晶体光波导滤波器在光通信和光传感领域有着广泛的应用。
在光通信中，光子晶体光波导滤波器可以用于光信号的调制和解调，实现光信号的传输和处理。
在光传感中，光子晶体光波导滤波器可以用于特定波长光的检测和测量，实现对光信号的精确控制和分析。
此外，光子晶体光波导滤波器还可以应用于光学传感器、光学存储器等领域。
通过结合不同的光子晶体结构和缺陷层设计，可以实现更加复杂和多功能的光学器件。
总结：光子晶体光波导滤波器是一种基于光子晶体结构的光学器件，具有结构简单、工作稳定、响应速度快等优点。
光子晶体光纤滤波器在通信系统中的应用
光子晶体光纤滤波器在通信系统中的应用光子晶体光纤滤波器是一种利用光子晶体结构实现光波长选择性传输的光纤器件。
它在通信系统中起到了重要的作用，可以提高系统的传输质量和性能。
本文将详细介绍光子晶体光纤滤波器在通信系统中的应用。
首先，光子晶体光纤滤波器具有优异的波长选择性能。
光子晶体光纤的核心结构具有比常规光纤更高的折射率，通过精确设计光子晶体结构，可以实现在特定波长范围内的光波长选择性传输，同时过滤掉其他频率的光信号。
这种特性使得光子晶体光纤滤波器在光通信中具有重要的应用价值。
其次，光子晶体光纤滤波器可以用于波分复用（WDM）光纤通信系统中。
在WDM系统中，多个不同波长的光信号可以通过一个光纤同时传输，这样大大提高了通信系统的传输容量。
然而，由于不同波长的光信号之间可能存在互相干扰的问题，需要利用滤波器将其进行分离。
光子晶体光纤滤波器可以根据波长选择性地过滤掉其他波长的光信号，从而实现有效的波长分离，提高系统的传输质量。
光子晶体光纤滤波器还可以应用于光互连系统中。
在高速通信系统中，由于光信号的传输速率较高，传统的滤波器在捕获和处理高速光信号时会出现困难。
而光子晶体光纤滤波器由于其小尺寸、高速度和波长选择性能，可以实现对高速光信号的准确滤波。
这对于光互连系统中的信号处理和数据传输非常重要，提高了系统的可靠性和稳定性。
此外，光子晶体光纤滤波器还可以用于光传感器和光传感系统中。
光传感器是一种将光信号转化为电信号的装置，广泛应用于环境监测、生物医学和安全检测等领域。
光子晶体光纤滤波器通过选择性过滤光信号波长，可以实现对特定光信号的检测和测量。
光传感器系统中的光子晶体光纤滤波器可以提高传感器的灵敏度和选择性，增强光信号的检测性能。
最后，光子晶体光纤滤波器还可以应用于光纤激光器和光纤放大器中。
光子晶体光纤滤波器通过选择性地过滤掉特定波长的光信号，可以实现对光纤激光器和光纤放大器中的光信号的调控和优化。
这对于提高激光器和放大器的效率和性能非常重要，同时也可以降低系统的噪声和失真。
一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器
一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器倪媛;陈鹤鸣【摘要】文章提出一种新型光子晶体环形腔THz波滤波器,在该滤波器的光子晶体环形腔内部引入一个正方形介质柱,四周各引入一个散射介质柱,基底材料采用折射率n=3.4的硅,晶格常数A为30μm.应用基于FDTD(时域有限差分法)的Rsoft软件进行仿真分析,结果表明,当介质柱半径为5.1575μm,内部正方形介质柱边长为92μm且其旋转角为6°,散射介质柱半径为5μm时,94.053μm波长的透射率为0.98556.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】3页(P53-54,75)【关键词】光子晶体;环形腔;太赫兹滤波器【作者】倪媛;陈鹤鸣【作者单位】南京邮电大学光电工程学院,南京 210023;南京邮电大学光电工程学院,南京 210023【正文语种】中文【中图分类】TN713THz（太赫兹）波是指频率在0.1～10THz（波长在30～300μm）的电磁波［1］，具有频率高、脉冲短、高空间相干性和低光子能量等特性，属电子学与光子学之间的过渡区。
近年来THz通信器件的研究逐渐成为热点。
随着THz与光子晶体技术不断发展，人们提出了多种不同结构的光子晶体THz滤波器。
但近年来提出的THz滤波器大都采用引入缺陷或者环形腔内部呈点阵形式排列的结构。
2009年，赵星星等人设计了一种新型的一维光子晶体THz多通道滤波器［2］，该滤波器通过在一维光子晶体中引入APQW（非周期量子阱）实现滤波，但这种滤波器每个预设频率处的透射率仅为0.85。
陈鹤鸣、卫晓颖等在2014年［3］提出一种4×3内部介质柱、带有四个散射介质柱的光子晶体环形腔滤波器，其Q值可达3 977，透过率达0.97，但其结构较为复杂。
本文提出一种环形腔内部为正方形介质柱的新型结构，通过改变内部正方形介质柱的旋转角度和散射介质柱的半径，使光波在环形谐振腔中耦合区的耦合强度发生改变，从而对THz波进行滤波。
0.35 THz二维光子晶体带通滤波器设计
0.35 THz二维光子晶体带通滤波器设计陈琦;张屹遐;何晓阳;张健【期刊名称】《太赫兹科学与电子信息学报》【年(卷),期】2014(000)003【摘要】A two-dimensional(2-D) Photonic Crystal(PC) based THz Bandpass Filter(BPF) is designed. Symmetrical point defects are introduced on both sides of a line defect 2-D photonic crystal to form resonant cavities. Therefore, a fine bandpass property is realized. This kind of 2-D photonic crystal filter possesses large bandwidth. Its out-band rejection properties can be further improved by introducing more pairs of symmetric point defects to realize the cascading of more resonant cavities. The proposed filter can satisfy application requirements in THz communication and radar systems.%设计了一种基于二维光子晶体的太赫兹带通滤波器，通过在线缺陷的光子晶体波导两侧引入对称的点缺陷形成谐振腔，在太赫兹频段实现了较好的带通滤波特性。
这种二维光子晶体带通滤波器具备较宽的通带带宽，同时还可以通过增加多组对称点缺陷的方式实现多个谐振腔的级联，进一步提高带外抑制特性，可满足太赫兹通信或雷达系统的应用需求，具有良好的应用价值。
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THz 波段的F -P 光子晶体滤波器*周 梅1)陈效双2)王少伟2)张建标2)陆 卫2)1)(中国农业大学理学院应用物理系,北京 100083)2)(中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室,上海 200083)(2005年11月23日收到;2005年12月11日收到修改稿)理论上设计了一系列一维非周期光子晶体,这些光子晶体具有超窄带滤波的特性.并利用成熟的半导体工艺制备出了具有此性能的滤波器.通过比对理论和实验上的透射光谱,得到了两者符合较好的结果.关键词:THz 波段,F -P 滤波器,非周期,光子带隙PACC :7820P,4270Q*国家重点基础研究发展规划(973)(批准号:2001CB61040),中国科学院/百人计划0基金(批准号:200012),国家自然科学基金重点项目(批准号:10234040),上海科学技术委员会重点基金项目(批准号:02DJ14066)和上海市自然科学基金(批准号:03ZR14023)资助的课题.E -mail:xschen@mail.si 11引言THz(Terahertz)波段是介于红外与微波之间的一个波段,其频率范围一般在011)10THz(1THz=1012Hz),具有广泛的应用前景,而以往却是研究得最少.由于最近发现THz 波段在医学影像、化学检测与分析、天文学甚至无线通讯等领域有着巨大的应用潜力[1)3],使得人们对该领域产生了很大的兴趣.最近THz 波段激光器(414THz)的研制成功[1],无疑将对该领域起到极大的促进作用.众所周知,对于任何波段电磁波的应用都有三个重要环节:光源、传输和探测,只有对这三个重要环节的研究都有所突破,才能真正实现THz 波段的应用.目前对THz 波段的研究主要集中在THz 光源和探测上,控制其传输方面的研究相对较少.光子带隙作为光子晶体的一个基本特性,具有控制电磁波传输的能力[4)6],可应用于如滤波器、偏振器及反射器等许多光学元件[7)10],因此对THz 波段光子晶体的研究有利于人们对THz 波段电磁波传输的调控.尽管大部分光子晶体材料的实验研究都集中在微波[9,11,12]、红外[13,14]及可见[15,16]波段,但是最近,人们也通过微机械加工[17]、激光快速原位成形(laser rapid prototyping )等方法[8,18,19]制备出了THz 波段的光子晶体,这些对THz 波段光子晶体的研究和应用都具有相当重要的意义.作为最简单的一维光子晶体,其理论研究和实验研究都已经比较成熟[20],而且早在光子晶体的概念提出之前就已经得到广泛应用.比如光学薄膜中的K P 4高反膜就属于一种特殊结构的一维光子晶体,在激光和光学设备中应用广泛.然而,这种多层膜的高反区(反射率高于95%的区域,high refractive region,HRR)较窄,除了增大高、低折射率层的折射率反差外[21],如果适当地引入无序,也可以使HRR变宽[6,22].当前对一维系统光局域的理论[23)30]和实验[31]研究表明,如果在一维多层周期膜系(一维光子晶体)中引入无序,光就会被局域起来.因此,可以利用这种特性,来实现光子晶体的一些特殊用途.本文就是利用这样的特性,在理论上设计了THz 波段的F -P 光子晶体滤波器,并借助于成熟的半导体工艺制备出具备此性质的样品.21THz 波段F -P 滤波器的设计常规的超窄带通滤光片多采用类似于F -P 干涉仪的结构,即在两个K P 4膜系构造的高反射层间夹共振腔的设计.这种设计可以给出带宽非常窄的滤光片,但它对膜系中厚度的涨落非常敏感.只要膜层厚度出现微小的涨落,就会使滤光片的性能明显退化.为此,我们提出用非周期型的膜系替代常规的两第55卷第7期2006年7月1000-3290P 2006P 55(07)P 3725-05物 理 学 报AC TA PHYSIC A SINICAVol.55,No.7,July,2006n 2006Chin.Phys.Soc.个K P 4膜系和中间的共振腔层,来构造THz 波段的超窄带通滤光片.所谓非周期型的膜系是指相对于K P 4膜系等规整的周期膜系有一个随机的涨落.这种膜系同样可以得出带宽非常窄的滤光片,而且大大降低了滤光片对膜层厚度涨落的敏感度.我们选择与半导体集成工艺相兼容的硅材料(Si,n =314,k=1@10-7)和空气(n =110,k =0)来设计THz 波段F -P 滤波器.根据已知材料的折射率,定出各层介质材料四分之一波长的物理厚度d i =K P (4n i ),其中K 为透射峰的中心波长,在这里我们取值为113L m;n i 为第i 层介质的折射率.然后对d i 进行随机变化,由此可以获得各层介质厚度的初始值.再结合预先设置的超窄带通滤光片的目标透射谱曲线,经过随机探索式的优化后,就可以获得如表1所示的各介质层厚度.本文研究了a ,b ,c 三种结构.三个膜系相应的理论透射谱如图1所示,113L m 处的透射率高于97%,结构a 的半峰宽为7nm,$K P K <7@10-5.除此峰之外,在78)210L m 之间透射谱的透射率都低于1%.从这几个结构的透射图中可以看出随着层数的减少,透射峰的中心波长的半峰宽不断展宽,但是其透射率没有很大的变化.从半峰宽的公式中很容易理解,半峰宽与滤光片的厚度h 成反比,所以要想得到单色性更好的器件可以增加层数来实现.表1 所设计透射峰位113L m F -P 滤波器的膜系(单位:L m)材料Si Air Si Ai r Si Air Si Air Si Air Si Ai r Si Air Si a 24262525925957925925252624b 112982885782882911c9298578299图1 理论设计的透射峰位于113L m 的透射光谱31THz 波段F -P 滤波器的制备以上膜系的设计和对存在随机厚度涨落时的统计结果表明,膜系的制备确实可行,因此我们利用文献[32]中反应离子刻蚀设备对表1的膜系进行刻蚀.图2是我们制备样品的示意图,样品长2cm,其中支撑部分长1cm,有结构部分长1cm.图3是电子显微照片,图3(a)是结构b 的F -P 滤波器,从图中可以看出制备的样品从左到右每层膜厚比较均匀,而且样品上下的厚度均匀性很好.这说明了在样品的制备过程中从刻蚀开始到刻蚀结束的均匀性很好.在显微镜下测量了样品的每一层厚度,可以知道所制备的样品尺寸涨落在2%)11%变化,基本上符合制备前的估计.图2 结构b 样品的平面示意图(灰色表示硅,白色表示空气)41THz 波段F -P 滤波器的性质表征因单个样品的高度只有120L m(见图4),而普通的红外傅里叶光谱仪的光斑尺寸约为3mm,都无法满足测试单个样品的要求.只能将单个样品叠加起来,直到尺寸大于3mm,然后将叠加后的样品固定在测试平台上.中红外光谱测试所用的仪器是Bruker IFS 66v P s FTIR 光谱仪,探测器是FI R DTGS,光源是硅碳棒,测量范围400)8000cm -1(1125)25L m).远红外光谱是在Necolet 公司的FT -IR20SX 光谱仪上测量的,光源是汞灯,探测器是TGS,测量范围40)400c m -1(25)250L m).同时也用THz 波段的光谱仪测试了样品,测试条件是:Ga As 光源;ZnTe 晶体探测器;BS 偏振分束器,测量范围0)70cm-13726物 理 学 报55卷(大于143L m).图4是样品测试示意图,箭头表示入射光.图5图3F-P光子晶体滤波器的电子显微(SEM)照片图4测试示意图(箭头表示入射光;不同条状阴影区表示厚度不同;单个样品的厚度为120L m)是样品a中红外和远红外波段测量的光谱图,实线是理论计算的谱线,短线是实验测量的谱线.在第二部分理论设计中仅考虑到了单个F-P滤波器每层厚度的涨落对其滤波性能的影响,并未考虑多个滤波器叠加在一起后,不同滤波器之间厚度涨落的因素.测试仪器的光入射到样品上后(见图4),沿着x轴的相同位置的透射光谱是光通过多个不同厚度滤波器的叠加平均,而不同位置的滤波器之间厚度的涨落对透射峰也存在一个叠加平均影响,所以探测器探测到的是透射光谱的叠加平均.除了考虑以上因素外,还必需考虑入射光的角度.因为理论计算中的入射光是平行光.而在光谱测量中,入射光不可能是严格的平行光,还有一定的角度.图5中理论光谱是考虑了厚度涨落和入射光角度两个因素后的理论光谱.图5比较了考虑光谱叠加后的理论计算光谱和实验测量光谱,两者在中红外波段的透射峰位比较符合.理论计算在10L m处出现了透射抑制区,同样在实验测量中,在这个位置也出现了透射降低.图5 (b)远红外波段,透射峰主要集中在20)75L m之间.在这个波段理论计算和实验测量光谱也是符合的.在80)225L m之间没有透射,没有出现第二部分理论设计中113L m处的透射峰.这是因为F-P滤波器不同位置的透射光谱以及不同角度光入射后的光谱图5样品b的中红外(a)和远红外(b)的透射光谱叠加,在113L m处的透射峰被平均掉了.也就是说考虑到实际测量中出现的因素后,比如单个滤波器中硅膜厚度和空气膜厚度涨落引起在这个位置的透射峰移动;相同结构的多个滤波器之间厚度的微小涨落导致透射峰出现在不同的位置,光谱叠加后出现在这个位置的透射强度就大大下降了;还有入射光的角度也同样导致这样的效果,这些因素的综合结果使得此位置的透射峰消失.37277期周梅等:THz波段的F-P光子晶体滤波器51结论本文以硅和空气为材料设计了透射峰为113L m 非周期的THz波段的F-P滤波器,透射峰的透射率高于95%,样品a,b,c半峰宽分别为7nm,77nm,850nm.除此峰外,在77)210L m之间的高反区的透射率都低于1%.利用文献[32]中的设备制备出三种结构的样品,从SE M上显示,制备样品的尺寸涨落在理论设计考虑范围内.用红外光谱仪表征了样品的透射光谱特性,与理论计算光谱基本一致.并分析了所设计的113L m透射峰未被测量到的原因.[1]KÊhler R,Tredicucci A,Bel tram F,Beere H E,Li nfield E H,Davies A G,Ri tchie D A,Iotti R C,R os si F,2002Nature417156[2]Carlo Sirtori2002Nature417132[3]Jiang Z,Zhang X C1998O pt.Lett.231114[4]Yabl onovitch E1987Phys.Re v.Lett.582059[5]J ohn S1987Phys.Rev.Lett.582486[6]Li H Q,Gu G C,Chen H,Zhu S Y1999Appl.Phys.Lett.743260[7]J oannopouls J D,Vi lleneuve P R,Fan S1997Nature386143[8]Sandhya Gupta,Tuttle G,Sigalas M,Ho K M1997Appl.Phys.Lett.712412[9];z bay E,Michel E,Tuttle E,Bis was R,Si galas M,Ho K M1994Appl.Phys.L e tt.642059[10]Zhu S Y,Chen H,Huang H1997Phys.Re 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,Ch ine se Aca demy o f Sc ien ces ,Sha n gha i 200083,Ch ina )(Recei ved 23November 2005;revised man uscrip t recei ved 11December 2005)AbstractA series of one -dimensional disordered photonic crystals were designed for use as filters.We prepared the filte rs e xperi me ntally and measured the transmission characte ristic of the filters by using infrared spectro meter.The e xpe rimental re sults a re in agreement with the calculation results.Keywords :THz region,F -P filte r,non_periodic,photonic band gap PACC :7820P,4270Q*Project s upported by the National Key Program for Basic Research of Chi na (Grant No.2001CB61040),the O ne -hundred -pers on Project of Chinese Academy of Sciences (Grant No.200012),Key Fund of Chinese National Science Foundation (Grant No.10234040),the Key Fund of Shanghai Science and Technology Foundati on (Grant No.02DJ14066),and the Shanghai Natural Science Foundation (Grant No.03ZR14023).E -mail:xschen@mail.si 37297期周 梅等:THz 波段的F -P 光子晶体滤波器。