光子晶体环形谐振腔传输特性研究及应用探索

admin · 发表于 2022-5-16 10:45:11

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光子晶体是一种周期性的光学纳米结构。像周期性的半导体晶体能够影响电子的行为一样，光子晶体被设计来影响光子的行为。光子晶体含有规律性重复的高低介电常数区域。类似于半导体存在针对电子的禁带结构，光子晶体也存在对光子的禁带结构。相比传统光电或光学器件，光子晶体具有受电磁干扰影响低、能耗低，设计灵活、可以微型化至纳米尺度，性能优异、方便多功能单片集成等优点，是未来光学器件的重要发展方向。光子晶体环形谐振腔在2002年被提出并用来制作环形激光器。由于光子晶体本身特殊性能，该结构很快被用来进行波导、通讯、传感等方面的研究。本文首先利用平面波展开（PWE）法计算了针对横电模（TE）、横磁模（TM）的光波对应的禁带范围和宽度，比较了几种基本晶格结构对应的能带，在此基础上选取合适的晶格排列方式。通过时域有限差分（FDTD）法模拟光波在光子晶体中的传输，研究了晶格常数、孔径半径、谐振腔大小、基底材料等对光子晶体环形谐振腔传输特性的影响，并得到了工作波长在1550±0.1nm，半高全宽（FWHM）在1nm左右，品质因数Q为5000以上的高选择性光子晶体环形谐振腔滤波器件的设计结构参数，基本达到了预期设计要求。随后探讨了将光子晶体扩展应用于声学波段的方法和思想。光子晶体的加工对精度的要求很高。本文研究了相关的工艺步骤，通过电子束光刻结合反应离子刻蚀的方法，得到了加工误差在10nm左右的光子晶体环形谐振腔样片，并获得了相应的工艺参数。通过搭建合适的光学测试平台，对所得环形谐振腔样片进行测试，得到实测的光谱传输曲线，并分析了实验值与理论值相差的原因。最后通过磁控溅射，结合X射线衍射和原子力显微镜分析，研究了将该晶体阵列结构从红外波段扩展应用于微波波段所需的镀膜工艺中功率和温度的影响。

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