蓝绿波段单通道窄带光子晶体滤波器设计(2)
1.2 光子晶体的发展现状
1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时 [2，3]，分别提出了光子晶体这一新概念。它来自于Maxwell方程与Scllrodinger方程以及光子和电子类比。光子禁带是光子晶体的最根本的性质。所谓光子禁带是指落在禁带中的光子是不能通过的。Yablonovitch指出[2]:光子晶体可以抑制自发辐射。由自发辐射的公式 可知，自发辐射的概率 与光子频率的数目 成正比。当原子的结构被精心设计而产生光子禁带时,其自发辐射光的频率刚好与光子晶体引入的缺陷模相吻合, 自发辐射的概率受到抑制。光子晶体的另一个重要性质是“光子局域”。John于1987年提出:在一种精心设计的无序介电材料组成的超晶体中,光子呈现很强的Anderson局域[3]。在光子晶体中,如果原有的周期性或对称性受到破坏,在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态,与缺陷态频率吻合的光子会被局域在出现缺陷位置,一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。因此，类似于半导体，光子晶体中常常通过引入缺陷层达到所需的目的。
光子晶体概念提出后，人们对具有完全禁带的三文光子晶体进行大量的理论分析和实验研究。1990年，K.M.Ho，C.T.Chan和c.M.Soukoulis等从理论上证实了第一个具有完全禁带的三文光子晶体结构——金刚石结构[4]。1991年，第一块具有完全光子频率禁带的三文光子晶体被Yablonovitch研制 [5]，从此光子晶体成为一个迅速发展的科学领域。1999年，光子晶体更被美国《Science》杂志评为年度十大科技成就之一。
1.3 光子晶体的应用与制备
光子晶体称为光的半导体，它提供了一种全新的光子控制机制。由于其独特控光性质，光了晶体可以制作全新的高性能光学器件，因此它极有可能取代传统的光学器件。随着光子晶体研究的不断深入，大批研究成果不断涌现，特别是在光子晶体波导[9]、光子晶体光纤[10]、微谐振腔[13]、光滤波器[11]等器件的研究中己经取得了巨大的成果。
本文着重于讨论光子晶体滤波器。研究发现利用光子晶体的带隙特点可以实现优良的滤波性能，且滤波带宽可以做得很宽，其性能远优于普通的滤光片。光子晶体滤波器带阻边沿的陡峭度可以做到接近于 [12]。
一文晶体中添加一层DPC异质结构的缺陷层，结果发现其产生了特殊的效应[14]：当入射光以 入射时，会产生一个完美的投射峰，而当光倾斜一个小角度时，透射峰消失。这一成果可用于实现光开关，滤波器等高精度器件。
利用光子晶体可以设计出空间变化的滤波器[15]。这些滤波器被放置在探测器阵列的上方，来完成对调谐的每一个像素的滤波功能。晶体滤波器异质衬底蚀刻的一系列孔构成。实验还发现吹冰边形的孔比其他形状的孔滤波性能更为优越。除了通过蚀刻孔的办法来实现滤波，还有些科学家利用非均匀的薄膜实现滤波性能[17]。薄膜上折射率是周期上变化的。设计光子晶体滤波器的方法很多，比较常用的就是遗传算法。毛建东等人运用遗传算法设计一种新型光子晶体滤波器，实现了从噪声信号中分理处可用于反演大气温度的拉曼光谱信号，带外抑制率高达7个数量级[16]。
光子晶体的制备具有较大的难度，到现在为止还没有完全统一的制备技术。另外还要引进缺陷态，因此制备光子晶体往往需要采用多种技术合力加工完成。不过在制备过程中可以借鉴半导体制备技术。常用的光子晶体制备技术有：精密机械加工技术，胶体颗粒自组织法和反蛋白石结构，逐层叠加法，激光全息法。
1.4 光子晶体的理论研究
光在光子晶体中的传播可以用Maxwell方程准确描述，而由于电磁场的矢量特性，光子晶体的理论模拟需要借助矢量分析。找寻一种快捷，准确的模拟方法也成为当前重要课题之一。浙江大学沈林放等人对平面波展开法进行深入研究，并提出一种新的计算方法。目前，人们已经发现了很多计算光子晶体的方法，包括平面波展开方法[6]，时域有限差分法[7],传输矩阵方法[8]，多重散射方法等。
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