太赫兹波段光子晶体的成像特性及器件设计研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 3.6MB 56 页 15积分

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摘要

太赫兹(Terahertz，

THz)波是指频率在 100GHz～10THz 范围的电磁波，其频率

介于毫米波与红外线之间。太赫兹波有很多优越的特性，对太赫兹技术的研究具

有非常重要的学术和应用价值。目前，对太赫兹技术的研究已经有了许多突破，

出现了商品化的太赫兹源，以及太赫兹波导、太赫兹滤波器等功能器件。研究太

赫兹波段光子晶体材料、分析成像特性并构造太赫兹光子晶体器件，是太赫兹技

术应用的基础，具有较大的研究价值。

本论文从光子晶体带隙特点研究入手，通过不同的光子晶体材料，系统地研

究了材料的折射率、晶格空间排列方式、介质柱结构对太赫兹波段二维光子晶体

带隙的影响。其次，利用 Rsoft 软件，模拟了二维光子晶体在太赫兹波段的负折射

现象以及折射率为-1 时的成像特性，得知折射率不为-1 时成像存在像差，进而分

别利用 ZEMAX 和MATLAB 软件仿真，解决了折射率偏离-1 时的像差问题。最后，

根据理论研究和软件模拟设计了太赫兹波段二维光子晶体窄带滤波器，并研究了

其滤波特性，所得滤波器的频带非常窄，满足设计要求，同时得到了点缺陷直径

与滤波器通带中心频率的关系。

关键词：二维光子晶体太赫兹窄带滤波器负折射光子晶体带隙

ABSTRACT

The terahertz (THZ) region that lies between the millimeter and infrared region in

the electromagnetic spectrum, with frequencies ranging from 100GHz to 10THz, is an

important region. It has been proved great potential applications in many domains, so

it’s quite valuable to pay attention on THz technology. Recently, there are some

breakthroughs on THz source. Some resonance devices, such as THz waveguides and

filters, have been developed successfully. Analyzing the imaging property of the

photonic crystal material and design the terahertz photonic crystal are significative in

applying the THz technology.

In this paper, the band gap characteristics of the photonic crystal are studied firstly,

and then we discuss the factors to the photonic crystal in the period of THz through

different photonic crystal materials, including the refractive index of the material, the

lattice arrangement, the medium column structure. Secondly, the phenomenon of

negative refraction as well as the imaging features when the refractive index is not -1

are simulated through Rsoft , then we know that there is aberration imaging when the

refractive index is not -1, thus we should eliminate the aberration respectively using

ZEMAX and MATLAB. Finally, the narrow band filter of the two-dimensional photonic

crystal in the period of THz is designed on the base of the theoretical research and

software simulation, then its filtering properties are studied, we can find that the band of

the filter is very narrow and it adapts the designing requirements, at the same time, we

discover the relationship between the diameter of the point defects and the frequency of

the filter band pass.

Keywords: 2D photonic crystal, terahertz, narrowband filter, negative

refraction, photonic band gap

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 太赫兹科学技术的历史背景............................................................................1

§1.2 光子晶体理论基础...........................................................................................2

§1.2.1 光子晶体的概念.....................................................................................2

§1.2.2 光子晶体的制备......................................................................................3

§1.2.3 光子晶体的特点及应用.........................................................................5

§1.2.4 光子晶体负折射原理.............................................................................6

§1.3 本文研究内容及意义.......................................................................................8

第二章太赫兹光子晶体器件的材料与结构分析研究.................................................9

§2.1 太赫兹波段光子晶体材料选取.......................................................................9

§2.2 基于光子晶体的太赫兹波器件的理论研究方法.........................................10

§2.3 二维光子晶体模型结构.................................................................................11

§2.4 太赫兹器件.....................................................................................................12

§2.4.1 太赫兹滤波器件...................................................................................12

§2.4.2 太赫兹波导器件...................................................................................14

§2.5 本章小结.........................................................................................................16

第三章太赫兹波段光子晶体禁带特性研究...............................................................17

§3.1 光子禁带的计算步骤......................................................................................17

§3.2 影响光子晶体禁带的因素.............................................................................18

§3.2.1 太赫兹波段二维光子晶体禁带研究...................................................18

§3.2.2 二维光子晶体中 TE 模与 TM 模禁带的对比....................................20

§3.2.3 材料对二维光子晶体禁带的影响.......................................................21

§3.2.4 晶格排列方式对二维光子晶体禁带的影响.......................................23

§3.2.5 介质柱结构对二维光子晶体禁带的影响............................................24

§3.3 本章小结.........................................................................................................24

第四章光子晶体成像特性研究...................................................................................25

§4.1 二维光子晶体负折射率下成像特性研究.....................................................25

§4.1.1 二维光子晶体太赫兹波段负折射现象研究.......................................25

§4.1.2 二维光子晶体折射率为-1 时的成像特性.......................................... 28

§4.2 负折射率平板透镜系统的成像与像差特性.................................................29

§4.3 折射率不等于-1 时消像差的方法研究........................................................ 31

§4.3.1 利用 ZEMAX 软件消像差法 .............................................................. 31

§4.3.2 利用 MATLAB 软件消像差法 ............................................................ 39

§4.4 本章小结.........................................................................................................41

第五章太赫兹波段二维光子晶体窄带滤波器的研究...............................................43

§5.1 光子晶体窄带滤波器设计.............................................................................43

§5.2 二维光子晶体窄带滤波器的特性研究.........................................................44

§5.3 本章小结.........................................................................................................46

第六章结论与展望.......................................................................................................47

参考文献.........................................................................................................................49

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................53

致谢...............................................................................................................................55

第一章绪论

太赫兹波(Terahertz, THz)是指波长介于30um～3000um的电磁波频段[1]，这一

曾被称为“THz空白”的电磁波领域引起了科学家们越来越多的兴趣，再加上它具

有安全性好、透视性强及分辨本领高等特点，已经成为世界科技界研究的热点。

自上个世纪九十年代以后，随着激光技术、量子阱技术和化合物半导体技术的发

展，THz脉冲的产生有了稳定、可靠的激光光源，这使得太赫兹辐射的产生机理、

检测技术和应用技术的研究得到了迅猛发展，国际科技界逐渐认识到太赫兹科学

技术是一个非常重要的综合性很强的前沿领域。太赫兹技术除了可以应用于材料

科学、化学分析、生物医学以及光谱分析等研究领域外，还可以应用于天文遥感、

环境监测、安全检查、军事侦察以及工业无损检测等许多技术领域[2]。

§1.1 太赫兹科学技术的历史背景

“太赫兹”(Terahertz)这一概念是1974年Fleming[3]为描述迈克尔逊干涉仪的光

谱频率范围而提出的。太赫兹波在电磁波谱中处于一个很特殊的位置，其频率范

围大致为100GHz～10THz(1THz=1012Hz)。从电磁波谱上看，它是长波段与毫米段

(亚毫米波)相交叠，而在短波段则与红外线相交叠，如图1.1所示：

图1.1 太赫兹波段在电磁波谱中的位置

由于所处的位置特殊，使得太赫兹波具有一系列优越性质。在频域上，太赫

兹处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，处于电子学向光子学的过渡。一

直以来由于缺乏有效的太赫兹辐射源和检测方法，人们对这一波段的电磁辐射特

性的了解甚少，以至于出现了电磁波谱中的太赫兹空隙。从研究技术上看太赫兹

的长波方向，主要依靠电子学(Electronics)科学技术，而太赫兹的短波长方向则主

要是光子学(Photonics)科学技术，从而在电子学与光子学之间形成一个太赫兹空

太赫兹波段光子晶体的成像特性及器件设计研究

隙。

太赫兹波在科学技术及应用上有着极重要的价值，在物体成像、环境监测、

医疗事业、天文以及通信领域都有着潜在的应用价值，特别是在军用雷达以及卫

星通讯等方面体现出很重要的科研价值和广阔的应用背景[4-6]。自 20 世纪 80 年代

以来，随着一系列太赫兹技术成果的涌现，尤其是利用量子级联激光器和自由电

子产生大功率太赫兹波源的技术及在太赫兹波探测、成像等方面取得的诸多成就，

在国际上很多国家都纷纷加入了研究太赫兹技术的热潮。2004 年2月的美国技术

评论期刊上公布的未来影响世界的十大关键技术，太赫兹技术排名第五位。美国

国家航天局(NASA)、国家基金会(NSF)、国家卫生学会(NIH)和能源部(DOE)等从

90 年代中期就开始对太赫兹科学技术进行大规模的投入；欧洲国家除了各国自己

支持的研究项目，还利用欧盟的资金组织了跨国多学科参加的大型太赫兹合作研

究项目；俄国国家科学院也专门设立了一个太赫兹研究计划；2005 年1月日本在

公布的十年科技战略规划中，提出了十项重大关键技术，而太赫兹技术被放在首

要位置。我国国家科技部、自然科学基金委员会和中科院也对太赫兹研究给予高

度的关注，2001 年启动的国家重大自然科学基金项目“THz 电磁波段的物理、器

件及应用研究”，就有包括中国科学院物理所和微系统所在内的十几家研究机构参

加；另外，国内数所高校和研究所先后建成了 THz 实验室，积极开展 THz 科学技

术研究工作，并在 THz 时域光谱及其生物学领域的应用研究方面取得了可喜成果；

2005 年11 月，我国在北京召开了第 270 次香山会议，会议的主题是“太赫兹科学

技术的新发展”，会议专家建议通过国家投入、鼓励企业参与、加强国内外交流等，

力争用两个五年计划的时间，即到 2015 年，使我国在太赫兹源、太赫兹检测、波

谱技术及成像等关键领域都有所突破，在理论和实验研究方面与国际同行站在同

一个起跑线上，并取得一批拥有自主知识产权的实用技术和产品[7]。

§1.2 光子晶体理论基础

§1.2.1 光子晶体的概念

“光子晶体”(photonic crystals)这一概念最早出现于1987年，是由美国科学家

E.Yablonovitch[8]和S.John[9]分别独立指出的。由传统固体物理学知识，在半导体材

料中，原子的周期性排列会产生周期性电场，这会影响在其中运动的电子，使其

形成能带结构，能带之间存在能隙。光子的情况与此相类似，如果把具有不同介

电常数的介质材料在空间按一定的规律周期排列，就形成了所谓的“光子晶体”。

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1摘要太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在100GHz～10THz范围的电磁波，其频率介于毫米波与红外线之间。太赫兹波有很多优越的特性，对太赫兹技术的研究具有非常重要的学术和应用价值。目前，对太赫兹技术的研究已经有了许多突破，出现了商品化的太赫兹源，以及太赫兹波导、太赫兹滤波器等功能器件。研究太赫兹波段光子晶体材料、分析成像特性并构造太赫兹光子晶体器件，是太赫兹技术应用的基础，具有较大的研究价值。本论文从光子晶体带隙特点研究入手，通过不同的光子晶体材料，系统地研究了材料的折射率、晶格空间排列方式、介质柱结构对太赫兹波段二维光子晶体带隙的影响。其次，利用Rsoft软件，模拟了二维光子...

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