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太赫兹(THz)电磁波(波长为3μm-3mm)是频率介于毫米波和红外之间相当宽范围的电磁辐射区域。正是THz波所处的波段使得其具有一些非常独特的优点,使THz波在凝聚态物理、天体物理、生物、医学、安全检测等众多领域中具有广阔的应用潜力。光子晶体是介电常数在空间呈周期性排列的人工结构,具有光子带隙和光子局域效应等重要特征,因此对光波提供了一种全新的控制机理。因此,对光子晶体的带隙特性和缺陷模式的研究是光子晶体研究的重要内容。光子晶体结构在THz波段具有良好的性质,可以制造多种性能优良的THz功能器件,如THz光子晶体滤波器、THz光子晶体谐振腔等都可广泛应用于THz系统中,为THz技术的进一步应用提供了有利基础。本文重点研究了THz波段二维正方和三角晶格空气环型光子晶体的带隙特性,并基于缺陷模式的原理设计了一种新型的空气环型光子晶体谐振腔。
在固定介电常数和晶格常数不变的情况下,采用平面波展开法(PWM)计算并分析了Si材料组成的THz波段二维正方晶格空气孔、空气环型光子晶体的带隙图以及Ge材料组成的THz波段二维三角晶格空气孔、空气环型光子晶体的带隙图,并就空气孔半径对光子晶体完全带隙的影响分别做了详细讨论,得出了THz波段空气环型光子晶体完全带隙最大时的结构参数。
本文从THz波的特性出发,设计了适合于THz波段的光子晶体谐振腔。在二维三角形晶格空气孔和空气环型结构中引入点缺陷,形成THz波段的谐振腔。采用基于有限时域差分法的Rsoft软件分别仿真两种结构下缺陷模的模式和模场分布,并对两种谐振腔的品质因子也进行了分析计算。利用平面波法结合超晶胞法计算分析了两种谐振腔的带隙结构和谐振频率随填充比的变化规律,并仿真了R/a=0.45缺陷模的模式场分布,以及研究了环型结构在一定的外径下,谐振频率随内径的变化规律。