1. 研究目的与意义
工程技术上的重大突破往往来源于新材料、新器件的诞生，信息技术的发展也是如此。新材料一直是人们研究的热点，上世纪半导体材料的发现导致了一场轰轰烈烈的电子工业革命，我们的科技和生活水平有了一个突飞猛进的跨越，并藉此进入了以计算机和信息高速公路为标志的信息时代。信息业的梦想之一，是利用光子替代电子传递更大容量的信息，这是因为光子有着电子所不具备的优势：速度快、彼此间不存在相互作用。一旦实现这点，信息的传输速度将快得无法想象。最近光子晶体的出现将可能使这种状况变为现实。光子晶体是90 年代世界范围初出现的一种新型的人工结构材料, 它是由高介电常数介质材料和低介电常数介质材料在空间上作周期交替排列而得到的, 其晶格常数与工作光波的波长为同一个数量级。基于光子晶体具有光子频率禁带，频率在禁带区内的光子是不能在光子晶体中存在的，随着越来越多的研究者对光子晶体这种新型的人工结构材料认识与研究的深入，人们发现光子晶体能够为新型光滤波器的设计和制造提供崭新的思路。光滤波器的质量和体积等参数直接影响到它的应用价值。以此为基础，人们已经研究出多种能够满足不同需要的，性能优良的光子晶体滤波器： 光子晶体滤波器的特点是, 滤波性能远优于普通的光滤波片, 其阻带区对透过光的抑制可以容易地达到30 dB 以上, 而且光子晶体滤波器的带阻边沿的陡峭度可以容易做到接近于90b。研究三角晶格光子晶体滤波器能够使得滤波器的滤波特性不是建立在大量的数值模拟和筛选的基础上，能够提高工作效率低, 减少成本。
2. 研究内容与预期目标
为了克服普通光子晶体滤波器的设计没有固定的方法可循的缺点, 我们将研究一种新型的光子晶体滤波器：多层结构的三角晶格光子晶体滤波器,。早期曾经有关于多层结构光子晶体的研究报道,这些研究的目的是为了增加光子禁带的宽度。这种结构的滤波器在具有一些优势的同时还存在着缺点，介质柱半径的选择就是滤波器的主要限制条件，滤波器共振环和直波导之间的距离也同样影响着滤波器的效率，基于以上的不足之处促使我们设计出一种新型耦合微腔的滤波器，尽量提高滤波器的滤波效率。本课题研究的是具有共振耦合效应的三角晶格的二维光子晶体缺陷和上下两通路的直波导结构，利用在入射端输入的电磁波的波长频率落在完整光子晶体的禁带之间，但是频率符合本文设计的缺陷微腔的光子晶体滤波器的光谱通带中，符合缺陷的谐振频率，从而实现对特定波长的光的透过作用。通过数值模拟三角晶格光子晶体的能态密度，在得到的帯隙中，如果某个频率段内态密度都很小，说明光在这个频段内是不能进入光子晶体的，因而也是被严禁传输的，利用这个特点可以制作这个波段的滤波器。通过 FDTD算法进行RSoft电脑仿真和数据模拟，分析各项结构参数对滤波器性能的影响它在设计上具有简明性、系统性以及设计计算量少等特点, 易于设计特宽的带阻滤波器和高品质因素的窄带滤波器, 也易于进行光滤波器的优化设计，光子晶体密度的分布也可以用来帮助判别能带的位置。预期制备成相应结构特点和材料类型的共振耦合效应的滤波器，并测试其性能。将理论分析与实验仿真相结合，探求基于共振耦合效应实现滤波器性能的调控机理和方法，以获取能够满足未来光信号滤波分离需要高品质、高性能滤波器。争取做到三角晶格光子晶体滤波器的滤波特性不是建立在大量的数值模拟和筛选的基础上, 提高工作效率低, 减少成本。
3. 研究方法与步骤
在设计和分析光子晶体时，人们最关心的是它的透射系数随入射波长的变化，这就涉及到分析光子晶体的带隙结构。一般来说，光子晶体的帯隙越宽，其性能越好。计算光子晶体能带结构的理论方法有平面波展开法（PWM)、有限时域差分法（FDTD)、转移矩阵法（TMM)、多重散射法等，最早使用的分析方法是平面波展开法，虽然它能推算出能带结构，但它不能很好地解释实验现象：面心立方结构的光子晶体具有光子带隙。随后，人们意识到光波是矢量波，它应该满足麦克斯韦方程。因此出现了矢量波法。随着研究的深入，运用的方法也越来越多。本文将利用时域有限差分法（FDTD)的理论分析方法件对基于三角晶格的光子晶体滤波器进行数值仿真研究。以理论和实验仿真结合的方法对三角晶格光子晶体进行研究。使用时域有限差分法，有五大实现步骤。第一，也是最基本，是光波在介质中的迭代方程，它模拟了光波的磁场分量和电场分量的互相转换，逐渐向前推进的过程；第二，数值稳定性条件及数值色散关系，时间增量和空间增量的取值必须满足一定的关系，以避免数值结果的不稳定，在用差分方法对Maxwell方程进行计算时，将会在计算网格中引起所模拟波模的色散。第三，边界条件，为了让光波的传输看起来像在无限大的空间进行，我们需要模拟一种假想的边界条件，使得光波传入到它里边之后，不会有反射发生；第四，激励源，我们设计出一种光子晶体器件之后，并不知道它的禁带和其它频率特性，我们需要把激励源设计为时域为冲激的形式，以此得到它在这些方面的性质，这样，在频域就有很宽的频谱；第五，傅立叶变换，既然在时域我们使用了冲激形式的脉冲，就需要傅立叶变化把它变化成频域的形式，这样就可以通过一次计算，得到光子晶体器件在很宽频谱范围内的性质，在文章里，我们使用快速傅立叶变换。同时RSoft仿真一个带有波长选择性反射微腔的三端口网络滤波器，详细分析共振时取得下路效率需要的条件以及不同k值，反射反馈条件时，下路效率随着相位以及失谐系数的变化关系，通过数字计算得到下路效率。在FDTD理论的基础上，基于二维三角晶格设计一个新型三端口通道下路滤波器，通过RSoft仿真熟悉三角晶格光子晶体耦合（滤波）的整个过程。
4. 参考文献
【1】张友俊，杨庆祥. 二维光子晶体带隙特性的研究[J].光电子技术,2008.339（6）:44 -50.
【2】欧阳征标,张道中. 多层光子晶体滤波器的研究[J]. 光学学报,2002.22（001）：79-84.
5. 工作计划
1、第一周：（02.20~02.26）：资料收集与文献检索
2、第二周：（02.27~03.05）英文资料翻译
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