光子晶体thz波分插复用器的设计与性能分析

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1、南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论等领域具有巨大的应用前景。其中，THz通信是指用THz波作为信息载体进行的空间或有线通信。因为THz波介于微波与红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，所以它集成了微波通信与光通信的优点：(1)相对于微波通信而言：(a)THz通信传输的容量更大，THz波的频段在108~1013Hz之间，比微波通信高出l~4个数量级，可提供高达10GB／s的无线传输速率，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍；(b)THz波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位；(c)THz波具有

2、更好的保密性及抗干扰能力；(d)由于THz波的波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其它的系统结构也可以做的更加简单、更加经济。(2)相对于光通信而言：(a)用光子能量约为可见光的1／40的THz波作为信息载体，能量效率更耐311(b)THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，它可以实现全天候的工作。当然，THz通信的发展也存在一些尚待解决的不利因素：(1)THz波在通过大气时，由于水蒸气的存在而导致的强吸收；(2)目前可选THz波源的发射功率相对较低。但是，随着高功率的THz波源、高灵敏度的探测

3、技术及高稳定性的系统的日益突破，占有很多独特优势的THz通信必将指日可待。1．1．2THz通信技术的研究进展THz通信系统包括THz辐射源、THz波检测和THz波传输三个部分。下面对于这三部分的研究进展进行简单介绍：(1)THz辐射源：多种方法可以产生THz辐射，主要包括以下几个类型：(a)半导体THz辐射源(包括THz量子级联激光器【4】等)；(b)基于光学和光子学的THz辐射源；(c)利用自由电子的THz辐射源(包括THz真空器件【51、电子迪旋脉塞吲和自由电子激光【7】)。目前，THz辐射源正朝着实现高效率、室

4、温运转、结构紧凑、高且稳定的输出以及便携调谐的研究方向发展。(2)THz波检测：与较短波长电磁波相比，THz波段光子能量低，背景噪声常常占据显著的地位，所以对于THz波检测技术的研究具有重要意义，不断提高其接收的灵敏度也是必然的追求。在不同的THz波频率上应选择不同的THz波检测器。在THz波段的低端，一般倾向2南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论于外差式的检测器(包括室温肖特基二极管混频器【s】、超导体．绝缘体．超导体(SIS)结混频器【明和热电子测热电阻(HEB)混频器【lo】)；而在THz波段的高端，直接检

5、测器【111(包括室温的直接检测器和冷却的直接检测器)的灵敏度似乎更胜一筹。(3)THz波传输：太赫兹波传输的研究包括THz波传输波导的研究以及THz波功能器件的研究。目前，国际上已经提出了多种不同的THz波传输波导：THz金属不锈钢波导【121，THz塑料带状平面波导【13】等。而对于1Hz波功能器件的研究，利用基于经典电磁理论的微波技术手段或者利用基于量子理论的光学技术手段都遇到了很大的困难。因此，在对THz波功能器件材料研究的基础上，人们试图从器件的结构方面寻找突破。90年代末以来，开始利用体积小巧、易于集成的

6、光子晶体这一特殊的结构对于THz波功能器件进行制作研究，并且取得了一些研究进展。日本物理化学研究所利用多层约瑟夫结制作出了可调谐THz波光子晶体滤波器【14】；2001年，美国MIT制作出了光子晶体谐振腔【15】。本文也将利用光子晶体的结构和特性来设计一个THz波传输中的功能器件一THz波分插复用器，所以下面对于光子晶体作一个简单的介绍。1．2光子晶体简介1．2．1光子晶体的概念光子晶体的概念是在1987年由当时在美国Bell实验室做研究工作的E．Yablonovitch提出来的【161。光子晶体是不同介电常数的材料

7、在空间周期性排列而成，由于存在周期性，光子晶体中的光子特性与半导体中的电子特性极为相似，在光子晶体中传播的光波的色散曲线为带状结构，带与带之间出现类似半导体的“光子禁带’’。这样，一定频率(波长)范围的光波将不能通过光子晶体，这种“阻碍"特性提供了一种全新的控制光子传播的机制，因此光子晶体具有极为广泛的应用前景。根据光子晶体空间周期性的不同，可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体，如图1．2所示。翱I2墓弛巍1D2D3D图1．2一维、二维、三维光子晶体结构3南京邮电大学硕士研冤生字位论文第一章绪论一维光子晶

8、体是介电常数不同的材料在一个方向上周期性排列，而其他两个方向均匀的多层结构，光子带隙只能形成于同一个方向上，人们对一维光子晶体已经做了大量的研究。二维光子晶体是介电常数在两维周期性调制，而在第三维均匀的结构，其在两个方向上存在光子带隙。如果以Y方向为第三维，一般只考虑光在XZ平面内的传播，根据其极化方向不同，可分为两种基本模式的偏振光TE波和T