二维光子晶体在激光雷达系统中的应用分析

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1、第一章绪论1I引言上个世纪，半导体技术的发展推动了电子信息产业的快速发展。电子在半导体器件中起了决定性的作用，可以看到多数半导体器件的研究都是基于对电子运动的控制。但是随着半导体技术朝着高速度、高集成化方向发展，电子的特性对集成电路的规模、信息传输处理的速度都造成一定的局B日性。与电子相比．光子具有很多优点，如更高的运行速度、大的频率带宽、低能耗、通信容量大等，因此使用光子传递信息将具有更高的通信容量。随着信息产业的日益发展，利用光子代替屯子传递信息成为热门的研宄趋势。光子晶体作为一种光子半导体材料应运而生，它的出现使信息处理技术的全

2、光子化、光子技术的微型化与集成化成为可能。目前，这个领域已经成为国际学术界的研究热点。12光子晶体简介光子晶体是1987年EYablonovitch在研究抑制自发辐射时提出的【”，几乎与此同时，SJoha在研究光子局域时也提出了这个概念【“。光子晶体是一种介电常数在空间周期排列的人工晶体。按照光子晶体中介质在空间周期性分布的维数，可以划分为一维(ID)、二维(2D)和三维(3D)光子晶体，如图1-1示。本论文主要对二维光子晶体进行研究。l-D2—D3．D瓜留舒国1-1光子晶体结构示意图光子晶体最显著的特性是具有光子带隙，频率落在光子带

3、隙中的电磁波是被1电子科技大学硕士学位论文禁止传播的。电磁波在光子晶体中传播时，由于介电常数的周期性变化而发生布拉格散射，将产生光子带隙。该性质可以用来抑制自发辐射。因为自发辐射的几率与光子频率的态的数目成正比，丽频率落在光子带隙中光子的态的数目为零，此时自发辐射几率也相应为零。反之，也可通过增加该频率光子的态的数目来增强自发辐射。带隙的产生和大小与光子晶体的晶格结构、介质柱的几何形状、介电常数及介质填充比有着密切的关系。光子晶体的另一个主要特性是光子局域。S．John在1987年提出，在一种设计过的无序介电材料组成的超晶格中，光子呈

4、现出很强的Anderson局域。光子晶体中不存在缺陷时，根据边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。一旦光子晶体原有的对称性遭到破坏，则光子晶体的禁带中可能会出现频宽极窄的缺陷态，与缺陷态频率吻合的光子将被局限在缺陷处。这一特性使我们更容易的控制光子。如引入点缺陷，可能在光子带隙中出现态密度和高品质因子的缺陷态，用来捕获光子；引入线缺陷，则频率落在缺陷态中的光波将严格沿线缺陷的方向传播，形成一种全新的导光机制。1．3光子晶体国内外研究现状和发展动态光子晶体在提出后的二十多年里飞速发展，国外在该领域的研究已经取得了很多令人瞩目的成果，

5、而国内的研究才刚起步。1987年美国Bell实验室的E．Yablonovitch在研究抑制自发辐射时提出了“光子晶体"这一新概念，几乎与此同时，S．John在研究光子局域时也提出了这个概念。1990年美国Iowa州立大学Ames实验室的研究人员K．M．Ho等通过计算验证金刚石存在光子禁带[3Jo1991年Yablonovitch小组在一块“陶瓷"底板上打出方向不同的三组直径为6mm的孔阵列，制作出第一个具有全方位光子带隙的周期结构，光子带隙位于10GHz。13GHz，首先在微波波段用实验证实了光子禁带的存在[4】。1992年，英国Ba

6、th大学的Russel等首次提出光子晶体光纤的概念【51。1993年美国用光子晶体研制出的小型偶极子天线，反射率接近100％，大大提高了天线效率，并于1995年申请了专利，为把天线做进集成电路创造了条件【61。1995年Cheng／7】等用化学辅助离子束刻蚀法制得GaAs和GaAsP光子晶体。1996年Russel和同事Knight等人用堆拉法制作出第一根固体纤芯的光子晶体2第一章绪论光纤【8】，虽然这根光子晶体光纤在实验中没有得到期望的光子带隙效应，但表现出非常明显的非线性特征，具有重要的价值。1996～1999年，Qian和Coc

7、cioli、Kesleri乳13】等相继研制出光子晶体微带贴片天线，有效地消除了表面波的影响，抑制了谐振模式，从而提高了天线效率。1997年麻省理工学院的ShanHuiFan等提出二维光子晶体薄膜技术，将集成电路革命拓展到超宽带光信号领域，进一步推进光电子学的超小型化，加州理工学院的AxelScherer实验室利用这种技术制作了体积仅为O．03lxm3的激光器。1998年，美国SandiaNationalLaboratories的Shawn．YuLin所领导的小组用氧化铝棒来制作光子晶体波导【141，发现特定频率的波可以无损耗地转过9

8、0。。1998年，美国国防部高级研究计划局(DARPA)投入2490万美元设立以光子晶体为技术支撑的“重组天线计划’’，与此同时，《science))杂志在1998年底预计未来的六大研究热点之一为光子晶体【15】。199