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一维液晶光子晶体滤波器的研究

作　者: 连佳
导　师: 刘永军
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 光学
关键词: 液晶光子晶体可调谐滤波器缺陷层
分类号: TN713.91
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 78次
引　用: 2次
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内容摘要

随着光纤通信技术的发展,密集波分复用(DWDM)逐渐成为光传输系统中的关键的技术。为适应DWDM的全面发展,减少通信中的光电转换环节,人们开始研究实用化的全光通信网络,而可调谐滤波器是全光通信中不可缺少的器件。因此对可调谐滤波器的要求也越来越高一要求具有稳定精确的波长,并且体积小,易于集成和低损耗等特性。光子晶体具有结构简单、可靠性好、便于集成和控制性强等优点,并且当光子晶体原有的周期性受到破坏时,可以在禁带中引入一个缺陷态,与缺陷态频率对应的光子将被局域在缺陷的位置,这为制作可调谐光滤波器提供了技术基础。目前,通过在光子晶体中引入缺陷来实现对光信号的滤波技术越来越引起人们的关注。液晶是一种各向异性光学材料,其电控双折射特性使液晶的双折射率对外界参量(电磁场、温度、压力)变化很敏感,基于这些特性,以液晶作为光子晶体缺陷的可调谐滤波器,具有成本低、功耗低、调谐范围大、调谐精度高、重复性能好,可实时控制等优点。因此,对液晶光子晶体滤波器的研究有着重要的意义。向列相液晶较胆甾相和近晶相液晶来说,比较容易获得而且其应用技术也比较成熟,具有较大的介电各向异性和折射率,极易受外界作用的电场、磁场和温度的影响,因此是很好的滤波器调谐材料。Fink等人从理论和实验上指出一维光子晶体可能具有全方位的三维禁带结构,一维光子晶体材料可能制备出由二、三维光子晶体材料制作的器件,即一维光子晶体较二维、三维光子晶体在结构上更为简单,并且易于引入缺陷。因此,本文主要研究的是以向列相液晶为缺陷的一维光子晶体滤波器的滤波特性。在理论方面,运用传输矩阵法给出了液晶光子晶体滤波器的透过率公式,并通过Matlab软件数值模拟了液晶光子晶体滤波器的滤波特性并对其进行分析：当液晶缺陷层的厚度逐渐增加时,透射峰的位置随着缺陷层厚度呈线性增加；随着液晶缺陷层电压的增加,透射峰的波长发生蓝移。在实验方面,制备了液晶光子晶体滤波器,其有效面积为5mm×5mm,并分别用分光光度计和综合测试仪对其透射谱和响应时间进行测试,得到了液晶缺陷层在不同电压下的透射谱和液晶的响应时间。当该滤波器的电压范围在0V～10V内时,透射峰的相对透过率变化在37%-55%之间,禁带宽度近400nm,调谐范围约50nm,透射峰的半高宽为18nm。器件的上升时间为1.5ms,下降时间为6.5ms。除此之外,由于液晶分子具有双折射特性,所以传统液晶光子晶体滤波器的使用不可避免的伴随着偏振片的使用,即偏振片配合液晶的取向方向使用。在一些非偏振光的应用中,偏振片的使用会使得光能量减少。本文给出了非偏振光下的透射谱,详细分析了器件的偏振敏感特性,提出并设计了一种偏振非敏感型液晶光子晶体。双液晶缺陷层的设计起到了对偏振光相互补偿的作用,使得禁带中原本两个透射峰并为了一个透射峰,加强了光强度,增强了滤波性能。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-19
  1.1 引言  13-14
  1.2 可调谐光滤波器的介绍  14-18
    1.2.1 声光可调谐滤波器  14-15
    1.2.2 Fabry-Perot滤波器  15
    1.2.3 阵列波导光栅滤波器  15-16
    1.2.4 分布反馈激光可调谐滤波器  16
    1.2.5 液晶光子晶体可调谐滤波器  16-18
  1.3 本文研究内容  18-19
第二章光子晶体的理论及分析  19-39
  2.1 光子晶体的概述  19-23
    2.1.1 光子晶体的特性  20-21
    2.1.2 光子晶体的分类  21-23
  2.2 光子晶体的数值计算方法  23-29
    2.2.1 平面波方法  23-24
    2.2.2 有限差分方法  24-25
    2.2.3 传输矩阵法  25-29
  2.3 光子晶体的数值模拟  29-38
    2.3.1 一维光子晶体的透射谱  29-33
    2.3.3 不同周期的一维光子晶体缺陷层  33-38
  2.4 本章小节  38-39
第三章液晶及其理论分析  39-55
  3.1 液晶的概念及分类  39-41
  3.2 液晶的性质  41-45
    3.2.1 液晶的各向异性  41-42
    3.2.2 液晶的电光效应  42-44
    3.2.3 液晶的其他性质  44-45
  3.3 液晶理论基础  45-52
    3.3.1 液晶连续弹性体理论  45-50
    3.3.2 液晶的传输矩阵  50-52
  3.4 液晶电光性质模拟  52-53
    3.4.1 液晶指向矢的分布  52-53
    3.4.2 不同电压下液晶相位的变化  53
  3.5 本章小节  53-55
第四章液晶光子晶体  55-63
  4.1 液晶光子晶体的发展  55-58
  4.2 滤波器结构材料的特性分析与数学模型  58-59
    4.2.1 滤波器结构材料的特性分析  58-59
    4.2.2 数学模型  59
  4.3 滤波器的特性分析  59-61
    4.3.1 缺陷层厚度对滤波特性的影响  60-61
    4.3.2 电压对滤波特性的影响  61
  4.4 本章小节  61-63
第五章一维液晶可调谐光子晶体滤波器的设计  63-71
  5.1 滤波器的设计和制作  63-64
  5.2 实验研究与分析  64-67
  5.3 偏振敏感特性研究  67-70
    5.3.1 非偏振光下液晶光子晶体的分析  68-69
    5.3.2 偏振非敏感型液晶光子晶体的设计与分析  69-70
  5.4 本章小节  70-71
第六章总结  71-73
参考文献  73-82
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  82-83
致谢  83

一维液晶光子晶体滤波器的研究

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