摘摘米波和紅外線之間。它有很多優(yōu)越的摘摘米波和紅外線之間。它有很多優(yōu)越的特性，使其具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。太赫技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，離不開對(duì)各種THz功能器件的研究。另一方面，光子晶體，即所排列的金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)成的金屬光子晶體在THz波段具有較好的性質(zhì)，可以用來制作多種用奠定有利的基礎(chǔ)光子晶體與介質(zhì)光子晶體相比，具有很大的差異，因此本文首先分析了完整結(jié)構(gòu)的金屬子晶體的帶隙特性隨著晶格常數(shù)及填充比的變化規(guī)律，并將之與介質(zhì)光子晶體進(jìn)行比較諧振頻率隨缺陷半徑的變化規(guī)律，還利用Rsoft軟件仿真了缺陷模的模式和場的分布，并thatliesbetweenthemillimeterandinfrared 0THz,is鋤electromagneticspectrum，withfrequenciesvaluesoftheirandveryandparameters．THz thetechnology．Meanwhile，thestructurewhichknownas‘optical-adecade，ithasbecomea fast-developinguniquepropertiesandmanypotentialapplications．Metallicphotoniccrystalfieldduetometallicthatliesbetweenthemillimeterandinfrared 0THz,is鋤electromagneticspectrum，withfrequenciesvaluesoftheirandveryandparameters．THz thetechnology．Meanwhile，thestructurewhichknownas‘optical-adecade，ithasbecomea fast-developinguniquepropertiesandmanypotentialapplications．Metallicphotoniccrystalfieldduetometallicmaterialshasinthe andSOCanappliedinmanyTHzdevices，such雒filter,resonantTherefore，analyzingimportantbasisforapplyingtheTHzinisbasic latticewithtrianglephotoniehavesomedifferentcharacteristics．Inphotonicobtainedcurvesofbandgapstructurewithvariationoflatticeconstant，fillingfactorthestructureofdefects．Thenitwithphotoniecrystal．UndercontionofphotoniecrystalbyrulesobtaintheincylinderbychangingthedefectfrequencyareusingRsoftsoftware．AndthequalityfactoroffielddistributioninisoniscalculatedintheinfluencesofthemodefielddistributionofTHzTHzlaserbrieflyresonantCrystal，ResonantCavity，Defect FiniteDifferenceTime日期日期第一章緒于TM偏振而言，在零頻率和截止頻率之間存在著第一章緒于TM偏振而言，在零頻率和截止頻率之間存在著～個(gè)很寬的禁帶；其次，作為在太赫中的一個(gè)空白區(qū)，也就是“太赫茲空隙”【61。近年來，在太赫茲波源【7】和檢題之一，而光子晶體憑借其優(yōu)良特性及制作工藝，在太赫茲器件的研究中開始嶄露頭角【5J基于金屬光子晶體的THz器件在太赫茲波的傳輸、耦合等方面具有優(yōu)良的特性，因此金光子晶體在THz器件【91中具有重要而廣泛的應(yīng)用前景。太赫茲技術(shù)和光子晶體技術(shù)同處，1．1．1金屬光子晶體概在研究光子局域態(tài)隨折射系數(shù)的變化關(guān)系時(shí)【loJ，Yablonovitch在研究材料的輻射性質(zhì)時(shí)【lIl第一章緒E[V2+罷；c島+占c蘆，一VV·，]營c尹，。=第一章緒E[V2+罷；c島+占c蘆，一VV·，]營c尹，。=特定的頻率處才有解，而在某些頻率取值區(qū)間該方程無解。換言之，在介電常數(shù)呈周期1．1．所示圖1．1光子晶體空間結(jié)構(gòu)示意圖1122上的偏振光起到控制作用自從光子晶體這個(gè)概念被提出以來，上的偏振光起到控制作用自從光子晶體這個(gè)概念被提出以來，人們就在理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)光子晶體進(jìn)行了廣的研究【15J的選擇上。近幾年來，在太赫茲(THz)波源和檢測技術(shù)上獲得的進(jìn)展使人們對(duì)構(gòu)造THz器件【171和系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣。由于缺少THz波段低色散和低損耗的器件，使現(xiàn)有的些THz系統(tǒng)都是基于THz波在自由空間的傳播和處理。為了得到實(shí)際應(yīng)用，嘗試把太茲波耦合到光子晶體波導(dǎo)等器件【181質(zhì)材料，要求這些材料對(duì)THz無吸收，在THz波段的介電常數(shù)比較大，目前發(fā)現(xiàn)比較性變化產(chǎn)生了光子帶隙結(jié)構(gòu)，光子帶隙結(jié)構(gòu)控制著光在光子晶體中的運(yùn)動(dòng)3子帶隙只有在特定方向上才有光子禁帶中的許多概念也用于光子晶子帶隙只有在特定方向上才有光子禁帶中的許多概念也用于光子晶體的分析中，如倒格子、布罩淵區(qū)、色散關(guān)系、布洛赫定理上世紀(jì)80年代以前，人們一致認(rèn)為自發(fā)輻射是一個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象，不能人為控制。在1946年提出自發(fā)輻射可以人為改變但未受到人們的重視。直到光子晶體的概念提出后人們才改變觀點(diǎn)。自發(fā)輻射不是物質(zhì)的固有性質(zhì)，而是物質(zhì)與場相互作用的結(jié)果。根缺陷處，光就迅速衰減。光子局域態(tài)的特性由缺陷的屬性來決定f254第一章緒1．1．3光子晶體諧振腔的研究現(xiàn)狀及進(jìn)1999年，Painter等【30】用發(fā)第一章緒1．1．3光子晶體諧振腔的研究現(xiàn)狀及進(jìn)1999年，Painter等【30】用發(fā)射波長為830hm的半導(dǎo)體激光器泵浦光子晶體單缺陷薄膜一可能存在的模式。其Q值大約為1900，激射波長1546nm，閾值泵浦功率為0．3mW1．1．4金屬光子晶體諧振式體，讓其扮演太赫茲波反射鏡的角色，從而構(gòu)成Fabry．Perot諧振腔，光子晶體的禁帶導(dǎo)全反射造成腔體損耗很小S雨京郵電大學(xué)碩士研究生論高的品質(zhì)因子和單一工作波長模式雨京郵電大學(xué)碩士研究生論高的品質(zhì)因子和單一工作波長模式光通信以及高精度光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)中有著重要的應(yīng)用前景1331。由于金屬光子晶體諧振鑒于金屬光子晶體諧振腔具有較為緊湊的尺寸和良好的模式選擇性，Kroll將其應(yīng)用于17GHz以上高能加速器的加速腔。Newsham等人在2002年又提出了光子帶1．2．1太赫茲概6予了極大的關(guān)注【361叮且乇掰性t上簪昏 300乒m予了極大的關(guān)注【361叮且乇掰性t上簪昏 300乒m0．3pro3Xll坤t 圖1．2太赫茲波段在電磁波譜中的質(zhì)GHz至幾十THz與活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究的研究狀況做簡要的介紹7第一章緒THz光子晶體器件研究鑒于太赫茲波的重大應(yīng)用前景，許多國家第一章緒THz光子晶體器件研究鑒于太赫茲波的重大應(yīng)用前景，許多國家投入了大量資金和人力開展研究。目前，界上約有100多個(gè)研究機(jī)構(gòu)從事有關(guān)太赫茲輻射的研究。美國國防部將太赫茲技術(shù)用于全和反恐，并提供了1800萬美元資金成立了太赫茲研究院。2000年以來，歐洲圍繞太結(jié)構(gòu)制作太赫茲器件【381。這里簡要列出太赫茲光子晶體器件的一些研究進(jìn)展日本物理化學(xué)研究所用多層約瑟夫結(jié)制作出可調(diào)太赫茲波光子晶體濾波器【39】。多層R徑分別為19／nn、26．4／un。圖1．3(a)表示在入射角為60徑分別為19／nn、26．4／un。圖1．3(a)表示在入射角為60零、8c口竺E∞c毋J上(b)正方晶格光予晶體的透射(a)三角晶格光子晶體的反射圖1．3光子晶體的反射譜和透射譜美國俄克拉荷馬州壺大學(xué)制作了傳輸太赫茲波的二維金屬光子晶體波導(dǎo)1421，圖9南京郵電丈學(xué)碩±目究生論第一章緒0B邑．澎漚她轡泡奄啦南京郵電丈學(xué)碩±目究生論第一章緒0B邑．澎漚她轡泡奄啦寢啦電積難寢E潼4兩種晶格光子晶體的電子顯微掃描照片的總長為120,wn，寬lOOjmt，厚9．49,mn，空氣孔直徑2．95加l，晶格常數(shù)3．89／un。太茲渡在其中傳播表現(xiàn)出優(yōu)越的導(dǎo)波性能，二維FDTD方法橫擬實(shí)驗(yàn)結(jié)梟表明，在直波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了幾乎零反射和零損耗的傳輸。由此可見．光子晶體十分適合于制作渡導(dǎo)器件行了太赫茲波的傳播特性研究㈤。這種光子晶體光纖只能在z方向形成波導(dǎo)，并且輸?shù)南拗凭驮胶谩?)高折射率缺陷i角品格光于晶律光纖的光學(xué)顯徽照(b)ITHz驀模的場分圈1．5太赫茲光子晶體光纖結(jié)構(gòu)圖及基模場分布【第一章緒南京郵電太{頌±研究生論圖1．6光子晶體第一章緒南京郵電太{頌±研究生論圖1．6光子晶體諧振腔的部分截面圖【“制作了光子晶體太赫茲諧振腔1．3研究。而為了得到具有某一頻率范圍光子禁帶的金屬光子晶體諧振腔，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)其應(yīng)的參數(shù)，如介電常數(shù)比、填充率和晶格類型等等。因此，采用一種簡便、快捷的數(shù)Marx法第一章緒1．3．1平面波波疊加的形式展開，從而將電磁場滿足第一章緒1．3．1平面波波疊加的形式展開，從而將電磁場滿足的麥克斯韋方程組化成本征方程，通過求解該方1．3．2時(shí)域有限差分時(shí)域有限差分法143J在計(jì)算任意幾何結(jié)構(gòu)中的電磁場分布時(shí)，是一個(gè)非常通用的方法它是基于離散的Maxwell方程，對(duì)波的傳播方向不做任何假設(shè)，也不需要其他的理論假設(shè)是完全匹配層(PerfectlyMatchedLayer，PML)吸收邊界條件1．3．3轉(zhuǎn)移矩陣第一章緒于這兩個(gè)波段之間，在此波第一章緒于這兩個(gè)波段之間，在此波段，金屬光子晶體的制作比可見光和紅外波段的光相對(duì)容易些1．5本文的內(nèi)容安排如下第四章對(duì)引入點(diǎn)第四章對(duì)引入點(diǎn)缺陷的金屬光子晶體進(jìn)行分析研究，分別討論了正方晶格和三角晶條件下，從一個(gè)點(diǎn)缺陷過渡到多個(gè)點(diǎn)缺陷，對(duì)所形成的金屬光子晶體諧振腔的缺陷頻率缺陷模式進(jìn)行分析，最后對(duì)品質(zhì)因子也進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較和分析討論第二章金屬光子晶體分析的基本理第二章金屬光子晶體分析的基本理自光子晶第二章金屬光子晶體分析的基本理第二章金屬光子晶體分析的基本理自光子晶體的概念被提出以來，光子晶體控制光和電磁波傳播的性質(zhì)引起了人們的泛關(guān)注。光子晶體就是介質(zhì)或金屬的周期性排列結(jié)構(gòu)，光子晶體的一個(gè)基本特性就是存理論來描述的，而光子晶體具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)形式，一般來講，用傳統(tǒng)的電磁場理論 多時(shí)，其計(jì)算量是很大的。后來C．T．Chan等人把FDTD(FiniteDifference系的。為了適應(yīng)這種情況，Kuzmiak等把PWE方法推廣到金屬介質(zhì)【50l，但PWE方法處屬介質(zhì)時(shí)收斂性較差，并且精度不高，所以應(yīng)用受到限制。Sakoda等把FDTD推廣到金光子晶體【511，得到較好的結(jié)果。EstebanMoreno等提出了Multipole方法【矧，計(jì)算金屬光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)；I．EI．Kady等用TMM方法研究了不同金屬光子論基礎(chǔ)第二章金屬光子晶體分析的基本理分方程形式，在網(wǎng)格的邊界處可利用周期性的邊界條件。通常第二章金屬光子晶體分析的基本理分方程形式，在網(wǎng)格的邊界處可利用周期性的邊界條件。通常將整個(gè)計(jì)算時(shí)間分為T個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)模擬并不能總是很好地適應(yīng)實(shí)際的有限尺寸的結(jié)構(gòu)。對(duì)于周期性的結(jié)構(gòu)中匹配層(PerfectlyMatchedLayer,PML)吸收邊界條件一維到三維的任意結(jié)構(gòu)、大小情況，可以得到任何時(shí)刻的場的分布情況和計(jì)算各種參數(shù)設(shè)計(jì)上，F(xiàn)DTD方法幾乎是唯一的選Maxwell方程與Yee氏網(wǎng)寫成微分形式，也可以寫成積分形式。FDTD方法是由微分形式的麥克斯韋旋度方程出對(duì)各電磁場分量進(jìn)行時(shí)間和空間上的差分離散而得來的紉其中，占表示介質(zhì)介電常數(shù)，／a表示磁導(dǎo)系數(shù)，仃表示電導(dǎo)率，tlr。表示等效磁阻率。盯和仃第二章金屬光子晶體分析的基本理一盟砂毗q=暇百哆百幄百=哆一統(tǒng)啦一知弛一砂丘第二章金屬光子晶體分析的基本理一盟砂毗q=暇百哆百幄百=哆一統(tǒng)啦一知弛一砂丘●一占●一占●一S西∥、堡at=去(堡Ox％)鈀H融U、皿)“電磁波在空間傳播的規(guī)律第二章金屬光子晶體分析的基本理量之間相隔正好為一個(gè)空間步長。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性，時(shí)間離散的步長與空間步須滿足一定第二章金屬光子晶體分析的基本理量之間相隔正好為一個(gè)空間步長。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性，時(shí)間離散的步長與空間步須滿足一定的關(guān)系，由后面的分析可知，時(shí)間步長可選為電磁波傳播一個(gè)空間步長所間的一半。在選定了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)后，就可以在時(shí)間上迭代求解，由給定相應(yīng)電磁場問(TM波)；另一組磁場只有以分量(TE波)，由式(2．4)和式(2．5)化簡可得TM波：TE波譬：三拳一譬一堡：!(冬一竽qH—-二=一卜_1 占、缸砂∥、=s)堡at=“(警Maxwell方程的有限差分表、¨、I礦一警≈乞一D≈第二章金屬光子晶體分析的基本理并記8=s≯r，在大多數(shù)電磁場問題中，計(jì)算空間內(nèi)不包括磁性媒質(zhì)，在這種情Z2F,u=脅，仃腫=0此時(shí)由式第二章金屬光子晶體分析的基本理并記8=s≯r，在大多數(shù)電磁場問題中，計(jì)算空間內(nèi)不包括磁性媒質(zhì)，在這種情Z2F,u=脅，仃腫=0此時(shí)由式(2．4)和式(2．5)，可得三維FDTD離散E¨In¨+|=絲sot,,．s趔．k+cr，．s．,At／2吼瓦若色而(吼瞄一日zc≥一、Eq￡nJ^+ai。蹦Y、1,．．+瓦甏麗(以}H¨i．肚+uz-I-H孫引』-I擊毫S磊魈乓I：：+oeE‰ll+館l?1／I島％"+qJI，．J．-IHJ．i，．√．J112=H．r。，J_，．it2髟C=qC+等(易L．一疋L一髟L+I+Bl-r第二章金屬光子晶體分析的基本理由式(2．6)和式(2．7)可得，二維FDTD差分TM波以r：肌n一-I，2一誓第二章金屬光子晶體分析的基本理由式(2．6)和式(2．7)可得，二維FDTD差分TM波以r：肌n一-I，2一誓(E卜吼R+112叫kA,，-I，2+誓(E卜疋蒜(qrIJ2一日vrli-l,j一以r+風(fēng)瞄TE￡手n．1★ol。jAt／2％／p、+，112一H孫]I一-*-1／。(孫i．√+llZ_H孫F吐E啊=瓦Eo％占r,,j托--O'i．∥fl▲t／22飛F．1"一￡手也r=也F2址M／／a(E兒r～一髟卜EL+乓2．1．3數(shù)值穩(wěn)定FDTD方法用一組有限差分方程來代替麥克斯韋旋度方程，只有當(dāng)離散后差分問題，即時(shí)間變量步長△f與空間變量步長缸，△)，和位之間必須滿足一定的條件，否則第二章金屬光子晶體分析的基本理對(duì)于非均勻媒質(zhì)構(gòu)成的計(jì)算第二章金屬光子晶體分析的基本理對(duì)于非均勻媒質(zhì)構(gòu)成的計(jì)算空間可以用如下的數(shù)值穩(wěn)定性條件Q22．1．4吸收邊界條由時(shí)域有限差分方程的基本原理可以看出，這種算法的一個(gè)重要特點(diǎn)是：在需要計(jì)電磁場的全部區(qū)域建立Yee氏網(wǎng)格計(jì)算空間。于是，對(duì)于像輻射、散射等這類開放問題要求的算法稱為吸收邊界條件(ABC)。吸收邊界條件從開始簡單的插值邊界，到后來完全匹配層(PML)首先由Berenger在1994年提出【551。通過在FDTD區(qū)域截?cái)噙呉远STE波為例，TE波只有日：，E。，E，分量，直角坐標(biāo)系中自由空間的麥克斯韋方為第二章金屬光子晶體分析的基本理：一第二章金屬光子晶體分析的基本理：一(2以=以+如。進(jìn)而，將麥克斯韋方程改寫為以下形式葷蒿警葶硒警+‰也=一等‘心警+‰％=其中盯，，口。，仃y，盯哪為介質(zhì)的電導(dǎo)率和磁阻率，描述了PML介質(zhì)的各向異性?？梢钥闯? 島甲=甲o(hù)exp[jto(t—xcos伊+ysm緲)]expCF知．單＼f完全相I司。阻抗匹配條件是PML介質(zhì)的重要基本條件，可以寫為王 當(dāng)兩種PML介質(zhì)層的參數(shù)盯j，仃臟，仃y，or第二章金屬光子晶體分析的基本理第二章金屬光子晶體分析的基本理等2．1．5激勵(lì)源的設(shè)用FDTD方法分析電磁場問題時(shí)一個(gè)重要的任務(wù)是對(duì)激勵(lì)源的選擇，即選擇合適的第二章金屬光子晶體分析的基本理FDTD方法用于金屬光子晶體的帶隙分在各類計(jì)算電磁場問題的數(shù)值方法中，F(xiàn)DTD堪稱是一種全能的方法第二章金屬光子晶體分析的基本理FDTD方法用于金屬光子晶體的帶隙分在各類計(jì)算電磁場問題的數(shù)值方法中，F(xiàn)DTD堪稱是一種全能的方法，F(xiàn)DTD方法接對(duì)Maxwell方程進(jìn)行離散化，理論上只要離散的網(wǎng)格取得足夠密，就可以保證良好的1一一···---—----—一．OHx西／a(x，Y)_=一絲：上(堡一盟-I(x—r．-ll，暉甄一=一一●————-一—-—-uCx，Y)、 砂·——二=一———二一 堡：一上塑一—o-(x—,y)E—，‘如下盯c工，y，={0{工x一-mm口a，)：2++。(yy一-療n口a，y：≥<：(正方晶格(斛o-仃(工，力2(肌+詈)+(yO第二章金屬光子晶體分析的基本理TM場哪n+l億12，哪n-m112廠萬At％第二章金屬光子晶體分析的基本理TM場哪n+l億12，哪n-m112廠萬At％q脅以腳若啦TEI[警E[等n+l／2≯lB肛蕭端B卜石A瓣fIl"In上述差分格式中，為滿足收斂性，時(shí)間步長滿足△f≤l／c0爵霄，利用上述公式第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分性，同時(shí)第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分性，同時(shí)也具有自己的特性，并且存在一定的優(yōu)勢。因此，研究TI-lz波段二維光子晶體目前，對(duì)普通的硅材料組成的介質(zhì)光子晶體的研究已趨于成熟，而金屬光子晶體的隙特性與這種傳統(tǒng)的介質(zhì)光子晶體有著很大的差異，與此同時(shí)，金屬光子晶體在TI-Iz太赫茲波段光子晶體材料的選擇原則是：在太赫茲波段具有高介電常數(shù)和極低損耗且還應(yīng)該是在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件和工藝下能夠制作出的周期性結(jié)構(gòu)。下面分析以下幾種材(MicroElectro材料可以采用深度反應(yīng)離子刻蝕(DeepReactiveIonEtching，DRIE)進(jìn)行加工制作，該(2)陶瓷材赫茲波段的介電常數(shù)6．52±0．1，介質(zhì)損耗為0．025、0．34cm～：氧化鋁(,41，03)波段的介電常數(shù)為9．4±O．1，介質(zhì)損耗為O．05．0．18cm一。陶瓷材料可以采用激光打孔(2)陶瓷材赫茲波段的介電常數(shù)6．52±0．1，介質(zhì)損耗為0．025、0．34cm～：氧化鋁(,41，03)波段的介電常數(shù)為9．4±O．1，介質(zhì)損耗為O．05．0．18cm一。陶瓷材料可以采用激光打孔的有機(jī)聚合體材料也是制作光子晶體器件的可供選擇材料之一。雖然聚合體材料的介常數(shù)普遍比較低，但是在制作上可以利用直接精密鉆孔的方法來制作各種符合要求的件。如甲基戊烯聚合物(MitsuiOilChemicalsTPX)，它的各向同性以及在太赫茲波段的在同類聚合體中是比較高的，而且性能也比較穩(wěn)定，不會(huì)隨著波長的變化而產(chǎn)生大的變化同時(shí)用這種直接精密鉆孔的方法來制作的時(shí)候，由于孔徑比較小，制作互相平行的高縱比的孔也是比較困難的，可以通過很多個(gè)基本相同的盤片堆棧起來而形成具有一定高度幾個(gè)參數(shù)如網(wǎng)格的大小、網(wǎng)格間的距離以及空氣填充比所決定的。適當(dāng)?shù)母淖冞@幾個(gè)參數(shù)就可以設(shè)計(jì)出適用于太赫茲波段的金屬網(wǎng)格，作為太赫茲波的反射器和濾3．2．1正方晶第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．2．2三角晶如圖3．2所不，為三角晶格的金屬光子晶體的不恿圖，其材料和參數(shù)都I司上}《堡●◆ ●◆◆◆第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．3．1正方晶格的仿真結(jié)第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．3．1正方晶格的仿真結(jié)譜源，通過差分過程在時(shí)域中計(jì)算場分布，然后將時(shí)域響應(yīng)做傅立葉變換得到頻域響應(yīng)么頻譜響應(yīng)的峰值頻率就對(duì)應(yīng)著金屬光子晶體的本征頻率。需要指出的是，F(xiàn)DTD與常簡并，也不能確定某一本征頻率是位于第幾階帶隙上，因此在低階帶隙，只能靠肉眼來分。所以得出的以下仿真圖中，帶隙并沒有真正地連成線主要討論TM偏振的情形。由帶隙圖可以看到，金屬光子晶體的帶隙中存在著一個(gè)截止率，只有大于截止頻率的光才有可能在金屬光子晶體中傳播。也就是說存在從零頻開始某一截止頻率這一帶隙，我們將它稱之為0階帶隙。類似的，將之上的帶隙稱為l階帶隙加8765一，e^■I‘孑C一N工一、-曼L2OXMXMrr(a)俐竹8一¨工x-蕾手￡LXMrrXM(d)口=70(c)口俐9·．，·0。81：：：：{lI???t．0．一5俐竹8一¨工x-蕾手￡LXMrrXM(d)口=70(c)口俐9·．，·0。81：：：：{lI???t．0．一55l：-t?！?。一蘭x譬暑暮-2XMXMrr(c)口由圖3．3可以看出，隨著晶格常數(shù)的增大，雖然整個(gè)帶隙的大體形狀都沒有發(fā)生明3．3．2三角晶格的化規(guī)律。分別計(jì)算口為40／am，50∥坍，60／tin，70／am，75／am，80,urn時(shí)所對(duì)應(yīng)的金屬8霉暑重妻。畦。函孟：二。赫。iMKrKMr臣瘟紹琺疑越溢?』?。8霉暑重妻。畦。函孟：二。赫。iMKrKMr臣瘟紹琺疑越溢?』?。?KMKMrr’’‘●‘‘‘。-’?-?！?。y’。?’●’‘?’。‘。。?！?‘‘。臣蓋妊釜磊幺赫幫，霹哪煳蟹卵緝零胃即甲孵MKMrrKr第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．3．3由3．3．1和3．3．2的仿真結(jié)果，可以得到在填充比不變、只改變晶格常數(shù)的條件下，晶格常1階帶1階帶0階帶第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．3．3由3．3．1和3．3．2的仿真結(jié)果，可以得到在填充比不變、只改變晶格常數(shù)的條件下，晶格常1階帶1階帶0階帶3．0l2．8221-示表3．2三角晶格的0階禁帶范圍和禁帶寬度的比0階晶格常數(shù)0-O-觥(a)正方晶格的帶隙隨晶格常數(shù)的觥(a)正方晶格的帶隙隨晶格常數(shù)的變化曲(b)三角晶格的帶隙隨晶格常數(shù)的變化圖3．53．4．1正方晶格的 口來越平坦。在，．／口=0．10時(shí)，只有O階帶隙存在，l階帶隙的存也越來越寬。當(dāng)，．／a增至0．35時(shí)，如圖3．6(0所示，其兩個(gè)帶隙已經(jīng)非常明顯，且寬度第三章二維T14z金屬光子晶體的帶隙分665543拿xu墨nt歪止4仝—分暑．211OXMXMrrrr7766554●33o仝—分I_墨蘿k2211OOXMXMrrrr99BB7766第三章二維T14z金屬光子晶體的帶隙分665543拿xu墨nt歪止4仝—分暑．211OXMXMrrrr7766554●33o仝—分I_墨蘿k2211OOXMXMrrrr99BB7766554ozH—分iok32211OOrXMrrXMr圖3．6不同填充率所對(duì)應(yīng)的帶隙結(jié)第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．4．2三角晶格的仿真結(jié)在三角晶格的條件下，填充率第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分3．4．2三角晶格的仿真結(jié)在三角晶格的條件下，填充率廠=考雪=·薔，其中，-為金屬柱子的半徑，口為晶3．7所示，可以看出，隨著rla的逐漸變大，帶隙結(jié)構(gòu)中慢慢地出現(xiàn)了兩個(gè)禁帶，由原來有0階帶隙演變成具有0階和l階兩個(gè)帶隙，這就提示我們，在具體的實(shí)際應(yīng)用中，可7654．．-21MrKKMrMrrKKM州∞6里否i，Iv星●2OMKrKMFr圖3．7不同填充率所對(duì)應(yīng)的帶隙正方晶格情形對(duì)比，三角晶格結(jié)構(gòu)要求，．／口值比較大時(shí)才開始出現(xiàn)兩個(gè)禁帶3．4．3仿真結(jié)果分由3．4．1和3．4．2的表3．3正方晶格的0階和l階禁帶范圍和禁帶寬州∞6里否i，Iv星●2OMKrKMFr圖3．7不同填充率所對(duì)應(yīng)的帶隙正方晶格情形對(duì)比，三角晶格結(jié)構(gòu)要求，．／口值比較大時(shí)才開始出現(xiàn)兩個(gè)禁帶3．4．3仿真結(jié)果分由3．4．1和3．4．2的表3．3正方晶格的0階和l階禁帶范圍和禁帶寬度的比0階帶0階帶0。2。3．9939．5．1O-的禁帶范圍和禁帶寬度隨r／a的變化如表3．4所示填充1階帶0階帶0階帶的禁帶范圍和禁帶寬度隨r／a的變化如表3．4所示填充1階帶0階帶0階帶0-6．5420．6．595變化規(guī)律，如圖3．8所示圖3．8兩種晶格的金屬光子晶體隨r／a體也具有類似的性質(zhì)由于所采用的金屬材料的特性，金屬光子晶體也具有類似的性質(zhì)由于所采用的金屬材料的特性，金屬光子晶體和傳統(tǒng)的介質(zhì)光子晶體相比，具有特殊的性質(zhì)【刪。直觀地說，對(duì)于TM極化波，在零頻率到截止頻率之間有一個(gè)很大的帶隙我們稱之為O階帶隙，如圖3．3所示，這在傳統(tǒng)的介質(zhì)光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)中是不存在的為了便于更清楚的加以比較，以正方晶格為例，采用前面同樣的方法計(jì)算介質(zhì)光子晶體MMXrr天同時(shí)在這之上還有一個(gè)帶隙(3．7736THz<f“．4528THz)。而介質(zhì)光子晶體只具有一個(gè)第三章二維Tl-lz金屬光子晶體的帶隙分：MMXrXrr(a)介質(zhì)光子晶體的帶隙圖(b)金第三章二維Tl-lz金屬光子晶體的帶隙分：MMXrXrr(a)介質(zhì)光子晶體的帶隙圖(b)金屬光子晶體的帶隙圖圖3．10介質(zhì)光子晶體和金屬光子晶體的帶隙比較圖，，，OOOO圖3．II介質(zhì)光子晶體隨著rla的變化曲線圖第三章二維THz金屬光子晶第三章二維THz金屬光子晶體的帶隙分本章詳細(xì)研究了在正方晶格和三角晶格兩種結(jié)構(gòu)下，金屬光子晶體的帶隙特性。分計(jì)算了在這兩種晶格下，金屬光子晶體的帶隙隨著晶格常數(shù)及填充率的變化規(guī)律。同將金屬光子晶體與介質(zhì)光子晶體的帶隙進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，金屬光子晶體對(duì)于TM特性是介質(zhì)光子晶體不具有的第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分第四章THz金屬光第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分光子晶體的一個(gè)重要特性是具有光子帶隙，頻率落在光子帶隙內(nèi)的電磁波將不能在子晶體中傳播，因此它具有許多特殊的物理現(xiàn)象，例如，抑制自發(fā)輻射，能量轉(zhuǎn)移，光壓縮態(tài)，光開關(guān)等；此外，光子晶體的應(yīng)用價(jià)值很大程度上還在于缺陷態(tài)的存在。如果一個(gè)存在光子帶隙的完整光子晶體中引入缺陷，那么禁帶中將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)諧式，稱為缺陷模，與缺陷模頻率相吻合的光子被限制在缺陷及其附近。因此，缺陷模的是局域化的，一旦偏離其缺陷位置將迅速衰減，并且缺陷模具有很高的態(tài)密度和品質(zhì)因子缺陷模的性質(zhì)在光子晶體諧振腔，光子晶體波導(dǎo)，波分復(fù)用等方面有著潛在的應(yīng)用前景模的位置也可以通過改變周期的大小，晶格尺寸甚至是材料來做相應(yīng)的調(diào)節(jié)言，柱子的半徑取，．=0．2a，對(duì)于三角晶格而言，柱子的半徑取，．=0．3a第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分原介質(zhì)折射率的介質(zhì)等等。只要能夠破壞晶體在該點(diǎn)的周期性即可造成點(diǎn)缺陷而構(gòu)成諧振腔。各種單點(diǎn)缺陷類型如圖4．1所示。本章討論的缺陷結(jié)構(gòu)為第一種，即取●●◆●●●●●●●●◆●●●第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分原介質(zhì)折射率的介質(zhì)等等。只要能夠破壞晶體在該點(diǎn)的周期性即可造成點(diǎn)缺陷而構(gòu)成諧振腔。各種單點(diǎn)缺陷類型如圖4．1所示。本章討論的缺陷結(jié)構(gòu)為第一種，即取●●◆●●●●●●●●◆●●●◆●●●●●●●●●●●●◆●· · ···●●●●●●●●●●●◆●●●●●●●●●●●●●●●●●●圖4．14．1．1諧振頻率及模式特性分在金屬光子晶體的完整結(jié)構(gòu)中引入單個(gè)點(diǎn)缺陷，即抽去中心的一根金屬柱子，構(gòu)成陷結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖4．2所示圖4．2其0階帶隙是滿足口／兄乏0．5645，l階帶隙滿足0．7456<a／．Z<0．90南京郵電★學(xué)碩第四章THz金屬光子晶體請(qǐng)妊腔諧振援串丑模式特性分0階南京郵電★學(xué)碩第四章THz金屬光子晶體請(qǐng)妊腔諧振援串丑模式特性分0階帶隙滿足26,urn，l階帶隙滿足6666#m<丑<8046#m階帶隙范圍0<f(2823THz，l階帶隙范圍是50THz，與第三章的結(jié)iu自3b}￡lFr∞∞r(nóng)州xMrF母4．4正方晶格引^缺陷的光譜由前面的討論可知，缺陷模的本征頻率必然是落在所產(chǎn)生的帶隙范圍內(nèi)，缺陷模才以穩(wěn)定地存在。要求缺陷模，那么必須要先求出缺陷模的本征頻率。采用基于FDTD即五=3．8408THz．正；{(a)』南京郵電大學(xué)碩i研究生論第時(shí)芾THz金屬光子晶體諧振眭諧振頻率廈模式特南京郵電大學(xué)碩i研究生論第時(shí)芾THz金屬光子晶體諧振眭諧振頻率廈模式特性分碧I變形的二階單極模和變形的偶極模，如圖(b)、(c)所示慮和研究的因素就是腔內(nèi)缺陷模的品質(zhì)因子Q[631，這是衡量光子晶體微腔特性是否優(yōu)良一個(gè)重要指標(biāo)達(dá)式寫為Q=‰等，其中，U是微腔中存儲(chǔ)的能量，P是損耗的功率，這種方法同樣r要很長的時(shí)間步，并且還要另外計(jì)算微腔中存儲(chǔ)的能量和損耗的功率。因此，比較之下本文選取前一種方法對(duì)太赫茲波段金屬光子晶體諧振腔內(nèi)缺陷模的品質(zhì)因子進(jìn)行計(jì)算，利用Rsot=t軟件中的FULLWAVE功能予咀實(shí)現(xiàn)第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分圖4．6放第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分圖4．6放大的光2鬻2器2鬻_19678；對(duì)于諧振頻一化頻率成線性比例關(guān)系，因此國=27r(c／a)(fa／e)．對(duì)于諧振頻率Z=1．9701THz，可求顆I"1因子Q2石0五=3．8408THz，可求得品質(zhì)因子Q2憊0000089第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分缺陷態(tài)頻率隨缺陷半徑的變化?’。辮?黔∥。∥：y1’M‘《?～’。：j強(qiáng)誓，5’礦¨o‘：雩7第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分缺陷態(tài)頻率隨缺陷半徑的變化?’。辮?黔∥?！危簓1’M‘《?～’。：j強(qiáng)誓，5’礦¨o‘：雩7黔繁滬t。m一·：￡知i。i艫秘船v點(diǎn)曲≯州魂巔{蝴岳‰罌t’l÷‰十撼氛蠡勰麓西 編?！抟灰?薔芊里：：缺陷半徑圖4．7缺陷態(tài)頻率隨缺陷半徑的不存在缺陷模式第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分出了一些有益的結(jié)論，這一節(jié)將利用第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分出了一些有益的結(jié)論，這一節(jié)將利用同樣的方法，對(duì)單點(diǎn)缺陷的三角晶格金屬光子晶體振式進(jìn)行研究屬光子晶體帶隙所取的相同，在引人缺陷之前，參看第三章中的圖3．7(e)圖，三角形光晶體TM波在歸一化頻率O．1．0448范圍存在著很寬的0階帶隙(要比正方品格金屬光子一化頻率范圍為1．3086-1．5466，對(duì)應(yīng)的頻率范圍在6．5THz．7．6THz。在這兩個(gè)帶隙頻率圍內(nèi)的光波無法通過光子晶體。為了方便結(jié)合帶隙圖一起討論，圖4．8給出了完整1112(．^、鏟u鹵300h■}芷000rKMr圖4．84．2．1諧振頻率及模式特性分陷情形。其結(jié)構(gòu)模型如圖4．9所示第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分分別為2．5373THz，4．0299THz，6．8905THz【．jJ巴霉■>b萋一南京郵電大學(xué)碩±研究生嗆第四章THZ金屬光子￡體諧K南京郵電大學(xué)碩±研究生嗆第四章THZ金屬光子￡體諧K腔昔撮頻率丑模式特性分震辯_咖枷-圖411缺結(jié)模式分布完整的圓形光斑，因此是單極模(圖旬a(chǎn)諧振頻率^產(chǎn)生的缺陷模為一偶極模(圖”，諧頻率^產(chǎn)生的缺陷模為一變形的高階偶極模(圖c)第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分A第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分A害蓋磊茜=9289：對(duì)于諧振頻率石=6．8905THz，求Q=此模式的品質(zhì)因子為Q=△4．2．3缺陷半徑對(duì)諧振頻率的影缺陷態(tài)頻率隨著缺陷半徑的變化規(guī)律，其橫坐標(biāo)為中心缺陷半徑與晶格常數(shù)的比值缺陷態(tài)頻率隨缺陷半徑的變化曲黟，一+1’’’～‘一?1～。、：7：瓤y辨!一『_～：_，％。誓：_“§；缺陷半徑第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分減小到零，即移走中心第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分減小到零，即移走中心金屬柱子，存在著三個(gè)諧振頻率，而在高階禁帶中只有一個(gè)缺陷模陷半徑的增大，缺陷頻率也逐漸增大。當(dāng)增至O．60a后時(shí)，在兩個(gè)禁帶中均不存在率前面幾節(jié)討論了引入單個(gè)點(diǎn)缺陷構(gòu)造金屬光子晶體諧振腔的模式特性，接下來討論入多個(gè)點(diǎn)缺陷的情形，即由缺陷所構(gòu)成的微腔的形狀對(duì)缺陷模式的影響A．微腔的形狀為正方狀，接下來我們討論去掉中心的金屬柱加周圍一圈的金屬柱，即所構(gòu)成的微腔為一個(gè)更的正方形。其結(jié)構(gòu)圖如圖4．13所示圖4．13微腔為正方形的結(jié)構(gòu)示卿電學(xué)顧士研宄生論I：卿電學(xué)顧士研宄生論I：幽：霍二圉第蛆章THz金屬光子晶體請(qǐng)氍腔諧柱短翠廈模式特性分比較而命名·圖(a)對(duì)應(yīng)單極模，其能量很好地局域在缺陷中心，對(duì)應(yīng)于普通金屬腔內(nèi)的Ⅲ模。圖(b)為一偶極模，對(duì)應(yīng)于普通金屬腔內(nèi)的Ⅲ．，模。圖(c)為一個(gè)二階單極模．也對(duì)南京郵電上學(xué)《t研究±論第四$"CHz金扁光子晶體諧振腔諧振頻率＆模式特性分普南京郵電上學(xué)《t研究±論第四$"CHz金扁光子晶體諧振腔諧振頻率＆模式特性分普通金屬腔內(nèi)的7M．模。圖(d)對(duì)應(yīng)于普通金屬腔內(nèi)的TM，：模，圖(e)對(duì)應(yīng)于普通金屬腔的rM,。模，圖(O對(duì)應(yīng)于普通金屬腔內(nèi)的Ⅲ。將得到的模式圖與41l節(jié)中的圖4．5進(jìn)行比較．可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩者構(gòu)成的微腔形都是正方形，但是其模式的個(gè)數(shù)和分布卻有著很大的不同。隨著微腔尺寸的增大．其所支持的模式數(shù)越來越多，同時(shí)模式也更為復(fù)雜。這就說明，可阱通過調(diào)節(jié)所形成缺陷的尺寸大小來滿足產(chǎn)生模式的需要B．微腔形狀為正六邊圖41511}$耩南京郵電^學(xué)碗±研究生論第四南京郵電^學(xué)碗±研究生論第四章Tflz女屬光}晶體諧振腔*蒹頻率盈模式特性骨圖4，16缺陷模式分布極模，圖(0和圈洶對(duì)應(yīng)的模式均為變形的高階二極模．圖(h)對(duì)應(yīng)的模式為六極模。將第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻第四章THz金屬光子晶體諧振腔諧振頻率及模式特性分同時(shí)模式也更為復(fù)雜。這就說明，同樣也可以通過調(diào)節(jié)所形成缺陷腔的尺寸大小來滿足生所需模式的需要4．4研究討論。分別討論了正方晶格和三角晶格的情形，并且還對(duì)單點(diǎn)缺陷的金屬光子晶體振腔中的缺陷模的品質(zhì)因子進(jìn)行了計(jì)算分析，最后還討論分析了缺陷所構(gòu)成的微腔的形及大小對(duì)模式場分布的影響。研究結(jié)果表明．中心缺陷尺寸的大小對(duì)于太赫茲光子晶體振腔內(nèi)缺陷模的諧振頻率以及模式場的分布具有決定性的影響。當(dāng)缺陷的大小及范圍確以后，其微腔內(nèi)的缺陷模頻率和模式場分布已經(jīng)確定了。因此，我們可以根據(jù)這種規(guī)律第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的第五章金屬光子晶體諧振腔在太第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的應(yīng)太赫茲技術(shù)是二十世紀(jì)八十年代末發(fā)展起來的一種新技術(shù)【641，它在很多基礎(chǔ)研究域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及生物領(lǐng)域中有相當(dāng)重要的應(yīng)用前景。近幾來，在太赫茲波源和檢測技術(shù)上獲得的進(jìn)展使人們對(duì)構(gòu)造THz波的器件和系統(tǒng)產(chǎn)生了很的興趣。而光子晶體從20世紀(jì)90年代中后期開始，就由于其巨大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的用前景，而受到各國政府、軍方、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界的高度重視。在90金屬光子晶體僅僅是材料、尺度以及帶隙出現(xiàn)的頻率范圍與介質(zhì)光子晶體不剛65l南京斷電大學(xué)碰±研究生論第五章金屬光f晶件諧振南京斷電大學(xué)碰±研究生論第五章金屬光f晶件諧振腔在太赫茲激光囂中的應(yīng)如果微腔中的激光介質(zhì)被激發(fā)，那么就會(huì)產(chǎn)生具有缺陷模特征的激光，而當(dāng)微腔的品質(zhì)這就大大降低了激光器的閾值‘矧。光子晶體檄光器是小體積．低闡值甚至零闡值，高功率學(xué)PaitlIer【刪等人首次報(bào)道的可以在室溫下工作的l55坤l的二維光子晶體點(diǎn)缺陷腔型激器。圉 射。該結(jié)構(gòu)中，光子在兩種機(jī)制下受到三維的限制：在水平方向上．二維光子晶體結(jié)構(gòu)存在限制了光子在某些波段的傳輸：在垂直方向上，板波導(dǎo)的全內(nèi)反射限制了光子在垂圖5．1的Bhattacharya等人㈣發(fā)表了第一篇關(guān)于電注入光子晶體缺陷腔激光器的設(shè)計(jì)理論探討自京郵咆^學(xué)碩士研究生論第五章金屬光子目體諧振自京郵咆^學(xué)碩士研究生論第五章金屬光子目體諧振腔在太赫《撒光器中的圖52電注入方式的光子晶體缺陷腔激光器【2004年底，韓國先進(jìn)工業(yè)技術(shù)研究院的Yong．H∞Lee等人㈣發(fā)表了更為合理的電電導(dǎo)和光整流是最常見的兩種產(chǎn)生寬頻帶脈沖nIz輻射的方法。目前，這些方法的轉(zhuǎn)換率很低，發(fā)射的THz光束的平均功率只有納瓦到徽瓦量級(jí)。產(chǎn)生窄頻帶nIz輻射的方法有很多種，包括微波頻率上轉(zhuǎn)換．光源頻率下轉(zhuǎn)換、THz生THz輻射的不同方法各有利弊．例如上轉(zhuǎn)換技術(shù)主要用于發(fā)射低功率連續(xù)的'lTlz波：第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的THz輻射的半導(dǎo)體激光器是P型鍺激光器。近年第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的THz輻射的半導(dǎo)體激光器是P型鍺激光器。近年來，隨著半導(dǎo)體薄膜生長技術(shù)的進(jìn)步，精控制生長納米級(jí)厚度的半導(dǎo)體薄膜已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。因此，基于多量子阱級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的量laser，QCL)于1994年在中紅外頻段成功實(shí)現(xiàn)了激射【71】。級(jí)聯(lián)激光器QCLt721，可以得高溫度為50K的量子級(jí)聯(lián)激光器。他們將納米級(jí)、厚度略有不同的砷化鎵(OaAs來，中間用鋁砷化鎵(A1GaAs)隔開，級(jí)聯(lián)的量子結(jié)構(gòu)包含這樣的重復(fù)結(jié)構(gòu)，在每個(gè)重復(fù)構(gòu)中包含一個(gè)注入?yún)^(qū)和一個(gè)激活區(qū)。在激活區(qū)中，存在著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和電子向低能級(jí)的全固態(tài)的THz量子級(jí)聯(lián)激光器的研制成功是半導(dǎo)體固態(tài)THz輻射源發(fā)展的一個(gè)里程碑。常導(dǎo)體激光器是通過半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴的復(fù)合來實(shí)現(xiàn)激射，其激射墮塞塑里查蘭堡主里壅生墮差。而利用光子晶體的禁墮塞塑里查蘭堡主里壅生墮差。而利用光子晶體的禁帶特性和光子局域化原理制各的光子晶體激光器，能提高激光的輸出特性和實(shí)現(xiàn)光子集成回路在第三章中，我們計(jì)算并討論了二維金屬光子晶體在兩種晶格下的帶隙隨著，，a的化規(guī)律。光子禁帶就像是一個(gè)半透明的墻．對(duì)于禁帶里面的頻率不透明，而其他頻率任穿梭。這個(gè)頻率限制特性可以用來設(shè)計(jì)模式選擇振蕩器或者選頻波導(dǎo)。通過穆除一根或根金屬柱子來造成缺陷，那些缺陷中的頻率就會(huì)被保留下來，這樣就把對(duì)應(yīng)的能量捕獲。第四章中，我們還詳細(xì)討論過引入點(diǎn)缺陷的金屬光子晶體微腔內(nèi)的模式特性，因此可結(jié)合51本文所研究的金屬光子晶體諧振腔來優(yōu)化上面所提到過的光子晶體諧振腔．就可以THz是一致的，但是．由于激光發(fā)射波段為太赫茲波段．因此在結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)上又與所區(qū)別．最主要的區(qū)別體現(xiàn)在有源區(qū)的材料和設(shè)計(jì)上。只需選擇合適的有源區(qū)材料一個(gè)雙層金屬波導(dǎo)中，其結(jié)構(gòu)的電子顯微圖如圖54圖54THz量子級(jí)聯(lián)激光器的光子晶體諧振腔示意圖南京“電^學(xué)碩士研究生論第Ⅱ章金屬光子晶體請(qǐng)振勝在^赫茲擻光器中的沒有南京“電^學(xué)碩士研究生論第Ⅱ章金屬光子晶體請(qǐng)振勝在^赫茲擻光器中的沒有模式泄漏到基質(zhì)中也沒有散射損耗通過表面，而且這個(gè)結(jié)構(gòu)中的平板波導(dǎo)還可以將限制在光子晶體內(nèi)傳輸源區(qū)的四周仍然采用帶隙位于太赫茲波段的光子晶體作為頻率選擇性反射鏡，以此來限光波的橫向損耗和泄露；而縱向也采用平面波導(dǎo)來限制縱向泄露及損耗，以達(dá)到更為高在一起，提高對(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器中激射出的THz波的準(zhǔn)直性。這就構(gòu)成了我們?cè)O(shè)想的激光器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)與量子級(jí)聯(lián)激光器相比，既可以降低激光器的損耗，還能有效提高激射光的準(zhǔn)直性54￡『u點(diǎn)堇女Et，￡蘸KMr圈5．5三角品格金屬光子晶體帶障l喜；i01o2o304O5o60oooo圈5．6毓陷模的光譜第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的將其中心的金屬柱去掉構(gòu)第五章金屬光子晶體諧振腔在太赫茲激光器中的將其中心的金屬柱去掉構(gòu)成點(diǎn)缺陷，采用第四章中的方法進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到此禁帶中僅有一個(gè)缺陷模存在，其光譜圖如圖5．6所示，通過計(jì)算分析，可以由諧振腔選頻功能，得到其諧振頻率為2．1519THz，譜寬為0．0029THz，品質(zhì)因子為24382。分布圖如圖5．7所示，為一完整的圓形光斑，是一單極模，從圖中可以看出，能量能很地聚集在缺陷附近，可以實(shí)現(xiàn)單模輸出。同樣地，在正方晶格中心金屬柱缺失的情況下1．9701THz的缺陷模，其模式分布圖如圖4．5(a)圖所示，為一單極模，其品質(zhì)因子為也實(shí)現(xiàn)了單模工作。諧振腔的選頻功能決定了出射激光的準(zhǔn)直性和頻譜寬度，而諧振腔光的輸出性能，使激光器具有更高的頻率選擇性和較好的模式特性。而且我們可以根據(jù)際的具體需要來選擇合適的晶格常數(shù)，以獲得所需的諧振頻率出，從而為制作多波長激光器提供了理論基礎(chǔ)結(jié)束作為物理電子學(xué)的一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，太赫茲波從不可琢磨，到逐漸被人們發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)結(jié)束作為物理電子學(xué)的一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，太赫茲波從不可琢磨，到逐漸被人們發(fā)現(xiàn)認(rèn)識(shí)到其獨(dú)特的性質(zhì)，再到目前預(yù)計(jì)存在潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值，使得近幾年來各界掀對(duì)太赫茲技術(shù)的研究熱潮。另一方面，對(duì)光子晶體的研究熱情也絕不遜色，正因?yàn)樗匦再|(zhì)，以及在太赫茲波段其結(jié)構(gòu)相對(duì)光波段較容易在制作上實(shí)現(xiàn)，因此，它在太赫茲用，并推動(dòng)兩者的共同發(fā)展本文主要從構(gòu)成光子晶體的材料著手，選擇了金屬材料來構(gòu)成太赫茲波段的金屬光晶體。首先從金屬光子晶體的兩種基本晶格類型出發(fā)，分析了在THz光子晶體的帶隙特性隨著晶格常數(shù)及填充比的變化規(guī)律，并將之與介質(zhì)光子晶體進(jìn)較，得出金屬光子晶體的獨(dú)特性質(zhì)。接著通過引入點(diǎn)缺陷，構(gòu)成太赫茲波段的金屬光子體諧振腔，并分析了諧振頻率隨缺陷半徑的變化規(guī)律，還利用Rsoft模式和場的分布，并對(duì)諧振腔的品質(zhì)因子進(jìn)行了計(jì)算分析，同時(shí)還分析了缺陷的形狀對(duì)生模式特性的影響。仿真計(jì)算及理論分析表明，本文所討論的金屬光子晶體諧振腔在太進(jìn)本論文是我在我的導(dǎo)師陳鶴鳴教授的悉心指導(dǎo)下，并參本論文是我在我的導(dǎo)師陳鶴鳴教授的悉心指導(dǎo)下，并參閱國內(nèi)外最新的相關(guān)資料和人所掌握的專業(yè)技術(shù)知識(shí)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一年多的研究而完成的。首先感謝陳老師兩年來對(duì)我的關(guān)心、指導(dǎo)和教誨。從論文的選題、方案的制定以及論文的撰寫，每一步都傾了導(dǎo)師的心血。在平時(shí)的學(xué)習(xí)中陳老師也給予了我孜孜不倦的指導(dǎo)，并經(jīng)常鼓勵(lì)我進(jìn)行考、學(xué)習(xí)。在研究遇到困難時(shí)，陳老師除了主動(dòng)幫助我之外，還給了我更多的鼓勵(lì)，使的論文研究工作得以順利的展開和進(jìn)行。陳老師知識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，敬業(yè)的精神給我下了深刻印象，使我受益非淺，并成為我今后工作和做人的楷模，令我終生受益。此外老師為人隨和，在生活上、思想上都給予我極大的關(guān)心、支持和幫助，特別在擇業(yè)問感謝光電工程學(xué)院的全體老師，特別是指導(dǎo)和教授過我專業(yè)知識(shí)的老師，他們分別范紅老師、施偉華老師、侯韶華老師、徐寧老師等，他們使我學(xué)到了很多專業(yè)技術(shù)知識(shí)我以后的學(xué)術(shù)研究打下了深厚的基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)各位出席論文答辯的專家和老師表示衷心感謝，感謝你們?cè)诎倜χ袑忛單业恼撐牟⑻岢鰧氋F意見感謝年秀芝、王國棟、顧曉蘊(yùn)、黃濱、胡曉磊、王磊等同學(xué)在論文寫作期間對(duì)我的支持幫助，與他們一起多次進(jìn)行學(xué)術(shù)交流和有益的討論，使我能夠更加順利地完成課題；感間給予我無私幫助的室友們，是她們給予了我真誠的關(guān)心和鼓勵(lì)，陪伴我度過了三年愉的研究生生活參考文【l】I．El—photonic【2】band—gapPhys．Rev．B，1995，52(16)：11744- dimensional【4】Chon萄岫Jin，BingyingCheng，ZhaolinLi，DaozhongphotoniccrystaltheTI-lz參考文【l】I．El—photonic【2】band—gapPhys．Rev．B，1995，52(16)：11744- dimensional【4】Chon萄岫Jin，BingyingCheng，ZhaolinLi，DaozhongphotoniccrystaltheTI-lzrange[J]．Optics【5】姚建銓，路洋，張百鋼，王鵬．THz輻射的研究和應(yīng)用新進(jìn)展[J】．光電子·激光16(4)：503-51【7】馬成舉，陳延偉，向軍，張顯斌．太赫茲輻射產(chǎn)生技術(shù)進(jìn)展【J】．激光與光電子學(xué)進(jìn)展integratedphotoniccrystalonGroup【9】亓麗梅，楊梓強(qiáng)，高喜，梁正．光子晶體THz器件的研究進(jìn)展【J】．量子24(5)：529-[10】John．S．StronglocalizationofphotonsincertaindisorderedRev．Lett．，1987，58(23)：2486—emissioninsolidPhys．Rcv．Lett．，1【14】吳炳堅(jiān)，鄭浩，方明陽，盛勇．二維光子晶體三角形結(jié)構(gòu)帶隙研究[J】．激光與紅外2006，36(1【15】D．Joannopoulos．PhotonieRoad參考文【6】photonicwaveguides【7】Appl．Phys．Lett．，2007，90：09105．1—0911刊【19】structureofterahcrtz參考文【6】photonicwaveguides【7】Appl．Phys．Lett．，2007，90：09105．1—0911刊【19】structureofterahcrtz 92：201107一1．20121(1)：30-【21】DongminWu，NicholasFang，WillieN．Basov．TcrahertzNagashima．Largepolarizationtwo。dimensionalphotonic2003，82(16)：2568-band·gapstructures[J]．J．Opt．Soc．Am．B，1【24】榮垂才，閏珂柱，寧學(xué)峰．二維光子晶體缺陷模特性研究【J【25】夏輝，彭景翠，李宏建．一維類梳狀光子晶體中缺陷模研究[J】．光譜學(xué)與光譜分析photonicband-gapdefectmodelaser[J]．Science，1999，284(11)：1819．182參考文【31】Hong·GyuPark，Jeong—Huh,eta1．Nondegeneratemonopole-laser[J]．Appl．Plays．Lett．，2001，79(19)：3032—photonieband—a1．Low—【33】Herrmann凡Sttunercrystal T．Ultrahigh·qualityLett．，2006，31(9)：1229-ofSchultz【35】Chul·Sikliquidcrystals[J]．Phys．Rev．B，64，085114-l-[371Frankel S．，Valdmanis參考文【31】Hong·GyuPark，Jeong—Huh,eta1．Nondegeneratemonopole-laser[J]．Appl．Plays．Lett．，2001，79(19)：3032—photonieband—a1．Low—【33】Herrmann凡Sttunercrystal T．Ultrahigh·qualityLett．，2006，31(9)：1229-ofSchultz【35】Chul·Sikliquidcrystals[J]．Phys．Rev．B，64，085114-l-[371Frankel S．，ValdmanisMourouCtA．Tcrahertzattentionandcharacteristicsofcoplanar1991，39(6)：910- Huajuan，YangDevicesstudylatticesto【39】SergeySavel’ev,RakhmanovA．L．，F(xiàn)rancoNod．UsingJosephsonfilterforterahertzrangebasedonEH，Duvillaretone-photoniccrystal謝mdefect[J]．J．Appl．Phys．，2004，96(8)：4072-a【41】Kiriakidis，C．M．Soukoulis．Two-photonicbandgapYparallelplatephotonie GPhys．Left．，2005，87：051101-[43】ChunchenLin，CaihuaChen，GarrettSchneider,PengYao，ShouyuanShi，Ahm