一维Si-SiO2光子晶体滤波特性的研究

太原理工大学硕士研究生学位论文

一维Si/SiO2光子晶体滤波特性的研究

摘要

光子晶体作为一种新型的人工光学复合材料，介电常数呈周期性变化。由于它的光子带隙和光子局域特性，可以用来操纵电磁波的传播。一维光子晶体可以用作光开关、光波导耦合器、带阻滤波器、全角度反射器等。本文采用Si和SiO2两种介质材料堆叠的方式，设计了一种具有滤波特性的(Si/SiO2)N D(Si/SiO2)N结构，在可见光波段和近红外波段通过传输矩阵法对一维光子晶体的滤波特性进行了理论研究，并通过射频磁控溅射沉积的方法制备出一维光子晶体薄膜。主要研究内容总结如下：

(1)基于传输矩阵法研究了一维周期和含缺陷光子晶体的传输特性、能带特性以及其在TE和TM模式下透射、反射特性。对磁控溅射仪中膜厚监测仪的误差进行校正，研究了实验中溅射功率对薄膜表面形貌的影响和氩气压强对薄膜厚度的影响，然后得到了优化后的工艺参数。

(2)对可见光波段和近红外波段一维(Si/SiO2)N D(Si/SiO2)N结构光子晶体滤波特性进行理论研究。研究表明：随着周期数增加，光子晶体禁带边缘的截止度越来越完整，能带更加分明；随着入射角的增加，在TE模式下，短波长处禁带的蓝移量比长波处更大，而在TM模式下则相反；对于掺入低折射率SiO2缺陷的光子晶体，缺陷模的峰值更高；当缺陷材料的厚度增

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加时，缺陷模发生红移。在缺陷介质的厚度不变时，随着入射光角度的增加，透射谱中的缺陷模发生蓝移，且在TE模式下禁带中透射峰的峰值降低，半高宽减小。在TM模式下禁带中透射峰的峰值在0-60°增加，最高可达99%，半高宽增大。

(3)通过磁控溅射实验制备了三种周期N分别为5，7，9的(Si/SiO2)N 结构和三种周期N为3，缺陷介质D分别为SiO2、MoO3和TiO2的(Si/SiO2)N D(Si/SiO2)N结构的光子晶体薄膜，测试结果表明：随着周期数N 由5增加到9，禁带范围内的反射率逐渐增大，在N=9时最高，达到95%；由于TM模下光子晶体对入射角度更敏感，所以随着入射角的增加，禁带宽度变化量大于TE模；当周期数增加时，对于TE模和TM模,禁带宽度随角度的变化都越来越小，说明增加周期可减弱光子晶体禁带宽度对角度变化的敏感性。当缺陷介质D分别取为不同厚度的SiO2、MoO3和TiO2时，禁带中透射峰的峰值减小，表明缺陷介质折射率的增加，会导致透射峰的峰值减小；实验制备了(Si/SiO2)11结构的光子晶体薄膜并进行了透射谱的测试，证实了理论研究中对此结构增加周期数到11时可以实现禁带的展宽的想法。

关键词：一维光子晶体，光子禁带，角度调谐，传输矩阵法，磁控溅射法

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STUDY ON FILTERING CHARACTERISTICS OF ONE DIMENSIONAL SI/SIO2PHOTONIC CRYSTAL

ABSTRACT

As a new model of artificial optical compound material,photonic crystals have got a periodic variation of dielectric constant in space.Due to its characteristics of photonic band gap and photon localization,it can be used to manipulate the propagation of electromagnetic waves.One-dimensional photonic crystals can be used as optical switches,optical waveguide couplers, band-stop filters,omnidirectional reflectors and so on.In this paper,a (Si/SiO2)N D(Si/SiO2)N structure with filter characteristics is designed by stacking two kinds of dielectric materials Si and SiO2.The one-dimensional photonic crystal filter characteristics is studied in the visible band and near-infrared band by transmission matrix method,and one-dimensional photonic crystal films are prepared by the method of radio frequency magnetron sputtering deposition.The main contents are summarized as follows:

(1)Based on the transmission matrix theory,the transmission characteristics,energy band characteristics and the transmission and reflection properties in the TE and TM modes of the one-dimensional periodic and defective photonic crystals are studied.The error of the film thickness monitor

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