基于磁性光子晶体的宽频带低损耗光环行器的设计与研究

论文摘要

人工材料光子晶体具有良好的光学调制特性,不同介电性质的材料周期性分布,导致光子能带中出现光子带隙。在完美的光子晶体结构中引入缺陷可以实现光波导和光的局域特性,是光子晶体得以广泛研究和应用的主要原因。本文结合光子晶体的上述特性和磁性材料的旋磁特性,设计并分析了具有光环行传输的环行器结构。通过对光子晶体和磁性材料进行结构优化实现具有较宽环行传输带宽、低插入损耗和高隔离度的环形特性。应用有限元法对该环行器进行结构设计和光学特性分析,同时结合光学分析软件进行相应的能带特性分析。本文设计环形器性能指标标准:插入损耗低于0.5dB,隔离度高于10dB。本文工作具体分为以下几个方面:根据在雷达和微波多路通信系统中的应用不同可分为三端口和四端口环行器,首先设计和分析基于硅二维光子晶体的三端口Y型磁性光子晶体环行器,三分支波导Y字型分布,中心交汇处配置旋磁材料铁氧体柱(YIG),针对该铁氧体柱的界面结构进行优化设计和分析圆形、正三角形和星形三种情况。具有圆形截面YIG柱的环行结构。圆形截面的YIG柱环形结构的环行特性较差,透射率过低,插入损耗过高,而隔离度过低,均不满足设计的要求。具有三角形横截面的YIG柱环行结构。与圆形截面的相比,透射谱、插入损耗和隔离度都有所提高,但环行带宽过窄。进一步优化YIG结构,设计了星形截面的YIG柱的环形结构。具有星形截面的YIG柱体Y型三端口环行器的三个端口分别在4197197GHz.GHz~、251995198GHz.GHz~.和196194GHzGHz~三个频段内可实现稳定的顺时针单向环行传输,隔离度分别大于14dB可达18dB、大于12dB且可达22dB,大于14dB且高达24dB;插入损耗均小于0.5dB、0.3dB和0.18dB。这一结果相比于前两种结构有明显改善,实现了三个端口在一定频带内、插入损耗很低且隔离度也很高的环行传输,达到并超过设计要求,即实现了三端口宽传输带宽、低损耗和高隔离度的环形器结构。为满足多路通信系统扩充通信路数的应用需求,接下来在三端口Y型环行器研究的基础上进行四端口十字型环行器的设计和分析。四端口环行器基体光子晶体的介质柱材料仍然选用Si。设计十字型配置的四分支波导,波导交汇处配置正方形旋磁材料YIG柱。文中对四个波导之间的耦合柱剖面结构进行优化设计,方案有四种,仿真结果显示具有等腰三角形截面耦合柱的四端口环行器具有最优的环行特性,而等腰三角形截面的耦合柱同时起到了降低结构反射、提高波导之间耦合效率和环行特性的作用,使得该结构能够实现四个频段内稳定的顺时针单向环行传输,四个端口的环行性能分别如下:在Hz~.2208217GHzG内两个隔离端口的隔离度均高于10dB且分别可达14dB和32dB,插入损耗均小于0.45dB;在Hz~.2002199GHzG内两个隔离端口的隔离度均高于10dB且分别可达12.5dB和20.5dB,插入损耗小于0.5dB;在220219GHzGHz~内两个隔离端口的隔离度均高于10dB且分别可达24dB和25dB,插入损耗小于0.19dB;在Hz~.2004197GHzG内两个隔离端口的隔离度均高于10dB且分别可达12.5dB和16dB,插入损耗小于0.5dB低至0.2dB。经过优化后的四端口环形器具有良好的额环行特性,实现了在一定的频带内、插入损耗很低且隔离度很高的环行单向传输。基于磁性光子晶体的环行器具有良好的环行传输特性,在未来的多路通信系统集成电路中可能会得到广泛应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 课题研究的背景及意义
•   1.2 基于磁性光子晶体环行器的研究现状
•   1.3 基于磁性光子晶体的基本理论研究方法
•     1.3.1 光子晶体的数值分析方法
•     1.3.2 磁性材料的基础理论
•   1.4 光子晶体的制备技术及应用
•   1.5 论文结构安排
• 第二章 二维光子晶体能带和缺陷分析
•   2.1 二维完美光子晶体的能带分析
•     2.1.1 二维方格子光子晶体的光子能带结构分析
•     2.1.2 二维三角格子光子晶体的光子带结构分析
•   2.2 光子晶体缺陷模式分析
•     2.2.1 二维方格子光子晶体缺陷模式
•     2.2.2 二维三角格子光子晶体缺陷模式
•   2.3 磁性光子晶体结构非互易性传输结构分析
•   2.4 本章小节
• 第三章 基于2D-MPCs的Y型三端口光环行结构设计与分析
•   3.1 2D-MPCs三端口环行器的设计
•     3.1.1 圆形截面YIG柱2D-MPCs三端口环行器的结构设计与分析
•     3.1.2 三角形截面YIG柱2D-MPCs三端口环行器设计与分析
•     3.1.3 具有星形截面YIG柱的2D-MPCs三端口环行器的结构设计
•   3.2 具有星形截面YIG柱2D-MPCs三端口环行器结构参数研究
•     3.2.1 晶格常数a和介质柱半径r对环行器性能的影响
•     3.2.2 星形YIG柱参数r0和r1的影响
•   3.3 2D-MPCs三端口环行器的仿真结果分析
•   3.4 本章小节
• 第四章 基于2D-MPCs的十字型四端口环行器的设计与分析
•   4.1 2D-MPCs四端口环行器的设计
•     4.1.1 2D-MPCs四端口环行器的结构设计与分析
•     4.1.2 具有三角形截面耦合柱正方形YIG柱2D-MPCs四端口环行器的结构设计
•   4.2 三角形截面耦合柱的2D-MPCs四端口环行器的结构参数研究
•     4.2.1 晶格常数d1和介质柱半径d2的影响
•     4.2.2 等腰三角形介质柱边长d3的影响
•     4.2.3 正方形缺陷介质柱边长d4的影响
•     4.2.4 波导宽度d5的影响
•   4.3 具有三角形截面耦合柱2D-MPCs的四端口环行器的仿真结果
•   4.4 本章小节
• 第五章 总结和展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 梁吴艳

导师: 陈德媛

关键词: 磁性光子晶体,光环行器,旋磁特性,有限元法,隔离度,插入损耗

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,化学,无线电电子学

单位: 南京邮电大学

分类号: TN256;O734

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.001227

总页数: 69

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