一维光子晶体的制备与滤波特性研究-答辩 (3)

1、LOGO指指导教师导教师：蒋礼蒋礼 教教授授一维光子晶体的制备与滤波特性一维光子晶体的制备与滤波特性研究研究n专业专业：电电子信息科子信息科学与学与技技术术n班班级级：*n学学生：生：*n学号学号：*LOGO主要内容主要内容u研究背景及意义研究背景及意义u一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导u一维光子晶体制备过程研究一维光子晶体制备过程研究u一维光子晶体滤波特性研究一维光子晶体滤波特性研究u总结与展望总结与展望LOGO研究背景研究背景 半导体集成电路技术在过去半个世纪以来的高速发展半导体集成电路技术在过去半个世纪以来的高速发展,对对人类社会和经济的推动无可替代人类社会和经济的推动无可替代

2、，而随着电子元件尺寸越，而随着电子元件尺寸越来越小，进一步提高集成度已经相当困难，为了使人类继续来越小，进一步提高集成度已经相当困难，为了使人类继续高速的发展，这将是我们不得不解决的问题。光子晶体比半高速的发展，这将是我们不得不解决的问题。光子晶体比半导体传输信息的速率更快、能量损耗更低、抗干扰性更强、导体传输信息的速率更快、能量损耗更低、抗干扰性更强、体积更小，因此它的发现给我们提供了一种可能的解决途径体积更小，因此它的发现给我们提供了一种可能的解决途径。国内外课题研究现状国内外课题研究现状Killian等通过制备含有多孔二氧化硅(折射率随填充度变化而变化)的一维光子晶体制作出温度传感器 P

3、ainter 等在二维光子晶体中引入点缺陷，实现了光子晶体激光器 S.Noda等使用晶片键合技术成功制备了完全禁带处在光通信波段的GaAs基三维光子晶体 Cregan 在Knight 等人工作的基础上，制造出空气纤芯的光子晶体光纤 程阳等运用传输矩阵法数值模拟了基本周期对光子晶体禁带的影响。 郑臻容等设计并通过电子束蒸发的方法制备出了8层膜系的TiO2-SiO2和TiO2-MgF2的光子禁带在400900nm的减反膜研究意义研究意义 光子晶体对于我国最大的作用表现在军事方面，如隐身光子晶体对于我国最大的作用表现在军事方面，如隐身技术。一维光子晶体在隐身材料中不仅能实现隐身的兼容性技术。一维光子

4、晶体在隐身材料中不仅能实现隐身的兼容性，而且对在其光子带隙波段的反射率几乎可以达，而且对在其光子带隙波段的反射率几乎可以达100%，其红外隐身效果是其它材料无法比拟的。因此对于一维光子其红外隐身效果是其它材料无法比拟的。因此对于一维光子晶体的研究很具现实意义。晶体的研究很具现实意义。一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导d 一维光子晶体的常规结构是两种不同介电常数的介质在空间一维光子晶体的常规结构是两种不同介电常数的介质在空间呈多层周期性分布。由于传输矩阵法的特点：矩阵元少，运呈多层周期性分布。由于传输矩阵法的特点：矩阵元少，运算量小，速度快；适用介质：多层周期性交替排列介质。因算量小，速度

5、快；适用介质：多层周期性交替排列介质。因此本文选用传输矩阵法对光子晶体进行分析此本文选用传输矩阵法对光子晶体进行分析 我们假设均匀厚度的介质层的表面平行于我们假设均匀厚度的介质层的表面平行于xy平面，而电磁平面，而电磁波是从平面波是从平面xy进入并沿进入并沿z轴方向传播，相应的厚度分别为轴方向传播，相应的厚度分别为a、b，空间周期为，空间周期为d=a+b。一束频率为。一束频率为 的光从左向右正的光从左向右正入射到上图所示的一维周期性材料中。模型假设一维光子晶入射到上图所示的一维周期性材料中。模型假设一维光子晶体结构在垂直方向上是有限的，在另外两个方向上是无限的体结构在垂直方向上是有限的，在另外

6、两个方向上是无限的。 一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导考虑首先考虑单层介质的传输矩阵，设单层介质的传输矩阵为考虑首先考虑单层介质的传输矩阵，设单层介质的传输矩阵为2211HEMHE其中，其中， 、 分别为界面分别为界面上方的场矢量，上方的场矢量， 、 分别为界面分别为界面下方的场矢量。下方的场矢量。 2E1E1H2E2H0BDJtDHtBE 电磁波在介质电磁波在介质中传播的麦克中传播的麦克斯韦方程组斯韦方程组 一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导图2.2 光在不同介质面上的反、透射光场对与对与TE波，利用波，利用Maxwell方程组求解两个相邻层上的电场和磁场，可得：方程组求解两个

7、相邻层上的电场和磁场，可得：zxzxzxzxkkhHkkhiEHkkhiHkkhEEtancostansincostansintancos221221一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导2211cossinsincosHEiiHE用矩阵形式表示即为：用矩阵形式表示即为：单层介质的传输矩阵。所以传输矩阵为：cossinsincosiiM单层介质的传输特征矩阵为：单层介质的传输特征矩阵为：zxkkhtancos其中其中 ，一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导对于对于N层介质我们只需将所有传输矩阵相乘即可得到层介质我们只需将所有传输矩阵相乘即可得到NNNNNHEmmmmHEMMMHE2221

8、121112111由此可以算出整个结构的反射系数由此可以算出整个结构的反射系数r与透射系数与透射系数t1222101121112221011211)()(pmmppmmpmmppmmr122210121110)(2pmmppmmpt0p0p1pcosp式中式中 。 表示该结构左侧接触的外界环表示该结构左侧接触的外界环境系数，境系数， 为该结构右侧接触的外界环境的系数为该结构右侧接触的外界环境的系数LOGO一维光子晶体理论推导一维光子晶体理论推导因此一维光子晶体结构的反射率因此一维光子晶体结构的反射率R与透射率与透射率T分别为：分别为：2rR201tppT根据以上结果我们可以对一维光子晶体结构进

9、行仿真，本文仿根据以上结果我们可以对一维光子晶体结构进行仿真，本文仿真采用的软件是真采用的软件是MATLAB一维光子晶体制备过程研究一维光子晶体制备过程研究u 制备时升温制度对单层薄膜的影响制备时升温制度对单层薄膜的影响 u 干燥控制剂干燥控制剂(DCCA)N,N-二甲基甲酰胺对二甲基甲酰胺对SiO2薄膜制备的影响薄膜制备的影响 u 薄膜增厚措施研究薄膜增厚措施研究u 制备的多周期一维光子晶体测量与仿真比较制备的多周期一维光子晶体测量与仿真比较一维光子晶体制备过程研究一维光子晶体制备过程研究1.制备时升温制度对单层薄膜的影响制备时升温制度对单层薄膜的影响3层层 4层层4层层 5层层一维光子晶体

10、制备过程研究一维光子晶体制备过程研究 改进改进后的升温制度为：第一周期时第一层后的升温制度为：第一周期时第一层SiO2薄膜可升至薄膜可升至500，之后的周期，之后的周期SiO2薄膜烧结时只升温到薄膜烧结时只升温到200 ，而而TiO2每周期烧结都可采用每周期烧结都可采用500 高温，但在层数高时高温，但在层数高时尽量不要太高，否则容易导致之前镀好的薄膜开裂尽量不要太高，否则容易导致之前镀好的薄膜开裂2.干燥控制剂干燥控制剂(DCCA)N,N-二甲基甲酰胺对二甲基甲酰胺对SiO2薄膜制备的薄膜制备的影响影响 加入量6g5g4g3g2g1g提拉效果镀膜未成功，无法粘附基底镀膜未成功，无法粘附基底镀

11、膜部分成功，有大量点状物镀膜成功，点状物很少镀膜成功，点状物较少镀膜成功，但点状物较多 由表中结果可知该配比的由表中结果可知该配比的SiO2溶胶，加入溶胶，加入3g DMF是最佳是最佳的结果，根据进一步实验得知的结果，根据进一步实验得知2.7g为最优化结果，由此可为最优化结果，由此可看出制备看出制备SiO2溶胶中，溶胶中，DCCA在其中的作用显而易见。得在其中的作用显而易见。得出厚膜制备中的一组最优化配比为出厚膜制备中的一组最优化配比为TEOS:H2O:EtOH:i-PrOH:浓盐酸浓盐酸:DMF为为1:8.2:3.2:2.4:0.015:0.55。 一维光子晶体制备过程研究一维光子晶体制备过

12、程研究3.薄膜增厚措施研究薄膜增厚措施研究 3.1同种介质多次提拉同种介质多次提拉0500100015002000250000.10.20.30.40.50.60.7波 长 (nm)反射率15时 反 射 率 波 长 仿 真 曲 线 图一维光子晶体制备过程研究一维光子晶体制备过程研究3.2提拉速度与浸渍时间对膜厚的影响提拉速度与浸渍时间对膜厚的影响提拉速度150250250250350浸渍时间5min5min10min20min5min厚 度86nm105nm107nm110nm124nm 不同提拉速度对于膜层厚度有比较明显的改变效果，而不同不同提拉速度对于膜层厚度有比较明显的改变效果，而不同浸

13、渍时间对于膜层厚度影响基本不大浸渍时间对于膜层厚度影响基本不大 一维光子晶体制备过程研究一维光子晶体制备过程研究0100200300400500600700800900100000.10.20.30.40.50.60.7波 长 (nm)反射率15时 2周 期 光 子 晶 体 反 射 率 波 长 仿 真 结 果 曲 线 图02004006008001000120000.10.20.30.40.50.60.70.80.9波 长 (nm)反射率15时 4周 期 光 子 晶 体 反 射 率 波 长 仿 真 结 果 曲 线 图02004006008001000120000.10.20.30.40.50.

14、60.70.80.91波 长 (nm)反射率15时 6周 期 光 子 晶 体 反 射 率 波 长 仿 真 结 果 曲 线 图4.仿真与测量结果比较仿真与测量结果比较 由图中对比可知制备的由图中对比可知制备的2，4，6周期的一维光子晶体最高反射率分别为周期的一维光子晶体最高反射率分别为23%，45%，76% ，结果与仿真结果基本趋于一致结果与仿真结果基本趋于一致 。对。对6周期的样品用冷发射场扫描电镜观测截面得出薄膜平均周期的样品用冷发射场扫描电镜观测截面得出薄膜平均厚度厚度SiO2 为为106nm，TiO2为为68nm。一维光子晶体滤波特性研究一维光子晶体滤波特性研究1.一维光子晶体周期数对滤

15、波特性的影响一维光子晶体周期数对滤波特性的影响 当周期数小于当周期数小于10以内时，禁带中心频率的波长会随着周期数的增加逐渐蓝移以内时，禁带中心频率的波长会随着周期数的增加逐渐蓝移（即往波长短的方向移动）；当周期数超过（即往波长短的方向移动）；当周期数超过10后，禁带中心频率波长几乎不后，禁带中心频率波长几乎不变，即周期数在一定范围内不影响光子禁带的位置与宽度。变，即周期数在一定范围内不影响光子禁带的位置与宽度。 一维光子晶体滤波特性研究一维光子晶体滤波特性研究2.光入射角对滤波特性的影响光入射角对滤波特性的影响 TM波会有如下情况：反射率随着入射角的增大而减小，光子禁带中心频率随波会有如下情

16、况：反射率随着入射角的增大而减小，光子禁带中心频率随着入射角的增大发生蓝移，而长波方向的蓝移更为明显，光子禁带带宽减小着入射角的增大发生蓝移，而长波方向的蓝移更为明显，光子禁带带宽减小 TE波则有：反射率随着入射角的增大而增大，光子禁带中心频率随着入射角波则有：反射率随着入射角的增大而增大，光子禁带中心频率随着入射角的增大发生蓝移，短波方向的蓝移更为明显，光子禁带带宽同样减小的增大发生蓝移，短波方向的蓝移更为明显，光子禁带带宽同样减小 TM波波TE波波总结与展望总结与展望本文主要有以下结论：u 1.升温制度对薄膜成型有很大影响，第一周期时第一层SiO2薄膜可升至500，之后的周期SiO2薄膜烧

17、结时只升温到200 ，而TiO2每周期烧结都可采用500 高温，但在层数高时尽量不要太高，否则容易导致之前镀好的薄膜开裂u 2.在制备SiO2溶胶时，DCCA必不可少但也不可过量。同种介质多次提拉增厚只有在前一层已烧结完成的情况下进行，合适升温制度对其影响较大，提拉速度增大可以有效地增加膜层厚度，但浸渍时间对于膜层厚度的影响不大。u 3.制备出禁带中心频率在620nm左右的2，4，6周期光子晶体，最高反射率分别为23%，45%，76%， 6周期样品中，SiO2的平均厚度为106nm，TiO2的平均厚度为68nm。u 4.仿真中，当周期数小于10以内时，禁带中心频率的波长会随着周期数的增加逐渐蓝移，当周期数超过10后，禁带中心频率波长几乎不变，反射率随着周期数的增大而增大，增大的幅度也逐渐变小，坡度越来越陡。禁带宽度在周期数较少的情况下随着周期数增大而减小。u 5.对于TM波入射时，反射率随着入射角的增大而减小，光子禁带中心频率随着入射角的增大发生蓝移，而长波方向的蓝移更为明显，光子禁带带宽减小；而对于TE波入射时，反射率随着入射角的增大而增大，光子禁带中心频率随着入射角的增大发生蓝移，短波方向的蓝移更为明显，光子禁带带宽同样减小。 总结与展望总结与展望本文中的不足与改进：本文中的不足与改进：u 1.研究升温制度时，不同类