太赫兹波段一维光子晶体腔及其应用

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随着太赫兹波源、探测、成像、光谱、通信等领域快速发展,对高性能太赫兹波器件的需求越来越迫切,而具有高品质因子(Q)的一维光子晶体在太赫兹滤波器、调制器及气体传感等方面有重要的应用。传统的制作一维光子晶体的方法有光刻法、化学刻蚀、薄膜生长法等,由于太赫兹波器件体积大,这些方法加工器件相对困难,包括加工过程复杂、器件价格昂贵。因此寻求一种成本低、加工简便且性能优越的太赫兹一维光子晶体器件成为推动太赫兹发展的迫切需求。本文利用传输矩阵编写Matlab仿真程序模拟光子晶体腔特性,通过介质材料粘贴的方法制作高Q一维光子晶体腔,并将其用于窄带可调谐太赫兹滤波器、太赫兹波段气体传感及太赫兹波调制器。本文主要研究工作分为四个部分:(1)利用传输矩阵理论编写了一维光子晶体腔特性Matlab仿真程序,设计了基于石英和空气、硅和空气两种太赫兹一维光子晶体腔,通过优化石英片与空气层、硅片与空气层的厚度,理论上得到了高Q一维光子晶体腔。并仿真设计了带阻与带通太赫兹滤波器,为实验制备打下基础。(2)制备了基于石英基的太赫兹一维光子晶体带通与带阻滤波器,实验中得到六周期石英晶体组成的带阻滤波器的阻带宽度为30GHz,阻带透过率为2.1%。改变空气缺陷层厚度(即腔长)可得到窄带可调谐滤波器,可调谐范围为310-340GHz。基于石英基一维光子晶体的带通滤波器的透射峰宽度(FWHM,Fullwidthathalfmaxium)小于1GHz,Q值大于300。(3)制备了基于硅基太赫兹一维光子晶体带通滤波器,实验得到六周期的硅基一维光子晶体滤波器的透过峰较窄,Q值较高,透射峰宽度(FWHM)小于200MHz,Q值约为1580。改变腔长可实现窄带可调谐滤波器,调谐范围为285-350GHz。(4)利用高Q的太赫兹一维光子晶体腔实现了气体传感。通过混合不同比例的空气与CO2气体的混合气体,实验观测到了共振峰频率发生明显的偏移,可根据共振峰频率偏移量信息获得腔内气体浓度的变化。利用808nm半导体激光器照射一维光子晶体最外层硅片,通过光生载流子吸收效应,实现了一个光控的太赫兹调制器,最大调制深度达到80%,调制速度取决于光生载流子的寿
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