正方晶格光子晶体滤波器的研究开题报告

1. 研究目的与意义

光子晶体是一种由不同介电常数的材料间隔周期性排列而成的人工材料，当电磁波人射其上时，在某一频率范围内电磁波不能透射过去，很像固体物理学中晶体的能带。介电常数在空间两个方向上有周期性结构的光子晶体称为二维光子晶体。二维光子晶体的介电常数在第三个方向上是均匀分布的。二维光子晶体的介质的横截面存在着许多种结构方式，有矩形(包括正方形)、三角形(包括正六边形)等结构。由于基于光子晶体的光通信器件结构的紧凑性，以及在未来光集成芯片和全光通信网络中有巨大的应用前景，相关研究已引起广泛关注并成为目前光通信领域研究的前沿。光子晶体理论自提出以来获得广泛关注,相关理论研究和实验进展迅速,目前光子晶体光纤等光子晶体器件已经应用到光通信领域,相信在不久的将来,光子晶体技术的发展将对信息通讯业产生深远的影响。光子晶体是一种介质常数在空间周期性变化的结构，由于这种介质结构中存在光子禁带，所以处于禁带波段的电磁波不能在其中传播，利用光子晶体的“光子频率禁带”这一特点来制作滤波器，使其满足我们需要的波段要求，具有较大的实际意义。

光子晶体不仅可以作为光波导器件有效地引导光的传输，还可以利用点缺陷和线缺陷制备基于光子晶体的波分复用器件，来实现更多的功能。利用光子晶体制作的波分复用器具有结构简单、信号波形好、交叉干扰小等特点。而且在光频范围内，光子晶体晶格的尺寸一般在亚微米级，有利于实现光学器件的小型化。因此，利用光子晶体制造光频范围的波分复用滤波器引起了科技工作者的高度关注。光子晶体光滤波器在光路集成和光通信领域的重要作用引起了国内外研究人员的广泛关注。光滤波器在波分复用光通信系统中是处理特定通道或者多个信道信号的关键器件，所以基于光子晶体结构的光滤波器设计也成为重要的研究方面。

2. 研究内容和预期目标

本设计提出正方晶格光子晶体滤波器，采用fdtd进行了仿真分析，灵活选择参数和缺陷的大小及位置，实现多信道高效滤波的效果。主要研究了影响第一带隙宽度的因素，场效应的分布以及光滤波的效率。

光子晶体中存在光子禁带，这是光子晶体最根本的特征，即光或电磁波在该频域内被禁止传播。不同结构（包括正方晶格、三角晶格和六角晶格等结构）、不同半导体材料（如si、sic等）、填充率、晶格常数等光子晶体参数对光子晶体的带隙特性都有重要影响。基于平面波展开法,以碳化硅构成二维正方晶格光子晶体,数值模拟了te模、tm模二维光子晶体的禁带特性，观察带隙宽度随填充率，晶格常数的变化的改变。

对称模式谐振腔与波导的祸合结构,采用正方晶格圆形介质柱结构，介质采用si材料,

3. 研究的方法与步骤

本设计是采用了fdtd的方法对光子晶体特性进行深入的研究。fdtd以yee网格为空间电磁场离散单元，将麦克斯韦旋度方程化为差分方程，然后在时间轴上逐步推进地求解。时域有限差分方法的思想，就是利用差分近似来实现微分形式的麦克斯韦方程组中旋度方程里的微分运算。

在光子晶体理论计算的具体应用时，它是先定义初始时刻的一组场分布，然后根据周期性边界条件，利用麦克斯韦方程组求得场随时间的演化，最终解得光子晶体的能带特性。有限时域差分方法不但能计算光子晶体介质结构的能带关系，同时也能计算金属结构的光子晶体能带关系(平面波方法不能计算金属光子晶体能带)。我们还可以结合理想匹配层(perfectlymatchedlayer)技术，利用有限时域差分方法计算和处理光子晶体anderson局域态、光子晶体波导本征模的特性、光子晶体表面模的特性等一系列问题。具体模拟过程：建立空间网格体系，选定空间时间步长，将麦克斯韦方程时间、空间微分变为差分，进行迭代求解。

本设计主要使用的rsoft是一款非常实用的光波导仿真软件。其中包含了bpm,fdtd,fem等多种算法，使得它能够适用于各种不同要求场合。主要包括了这几个模块：beamprop、fullwave、bandsolve、gratingmod、diffractmod、femsim,以及most。本设计主要使用rsoft的beamprop、fullwave、bandsolve功能对光波导和简单光波导器件进行仿真计算，从而对光在波导中的传输有一定得了解。

4. 参考文献

1.王海松，李康，孔凡敏，宋磊梅良模，高效光子晶体多信道滤波器的设计与仿真.光子学报，2008，第37卷第6期：1122-1125

2.haisong wang,fanmin kong,kang li,liangmo mei.highly effieient photonic

crystal-based multi-channeldrop filters.proc.0f spie(ap0c 2007),vol.6781,678152.

5. 计划与进度安排

2022.3下达任务书，查阅相关资料（1周），熟悉基本理论（1周），完成英文翻译（1周）

2022.4确定具体研究方法和研究内容（1周），熟悉模拟计算工具（1周），完成模拟计算（1周）,得出模拟结果（1周）

2022.5撰写毕业论文（2周），修改（2周）