摘要
光子晶体对电磁波的调控已被人熟知并得到广泛应用。而等离子体的加入构成的等离子体光子晶体则又对电磁波的调控增添了许多新特性。例如，等离子体激元共振，负禁带结构，截止频率等。而等离子体因其可调的电磁参数可以获得可调的光子带隙。尽管等离子体的不稳定性对电磁波有一定影响，然而利用等离子体的特性所制造的微波器件可以更好的满足现代通信发展的需求。目前对于等离子体光子晶体的研究己比较成熟，但主要针对的都是由放电管作为散射体所构成的等离子体光子晶体，等离子体的介电常数与空气相差不大，以至于带隙是由放电管的石英玻璃的介电常数所引起，等离子体起到了调控的作用。甚至可能无法产生带隙。如果在真空环境下引入等离子体，则装置制造难度和成本人，且装置不能移动。本文针对这个问题，在空气层中使用微放电管，应用有效介质理论将空气层等效为具有等离子体性质的复合介质。主要研究内容和成果如下: 1.构建了一种一维等离子体光子晶体(1DPPC)复合结构，利用COMSOL仿真了TM波和TE波正入射一维光子晶体(1DPC)的透射谱。透射谱中会出现介质周期散射的PBG，等离子体柱周期散射的光子禁带(PBG)以及两者的复合禁带。研究了等离子体参数和结构的几何参数对这几种带结构的影响。详细讨论了等离子体柱周期散射的PBG的关闭和重新打开的现象以及TE模式等离子体激元对带结构的影响，研究了等离子体激元拓宽PBG的方法。通过实验验证了TE模式的等离子体激元现象及其对带结构的影响。 2.构建了一种以等离子体为背景介质的2DPPC，仿真了TM波和TE波的完整能带，研究了等离子体参数和结构的几何参数对能带的影响。结果表明，在柱状阵列中调整参数，可以使TM波形成完全禁带，而在TE模式不存在。TM波在低于等离子体频率的位置会产生截止带，TE波在低于等离子体频率的位置会出现大量共振传播的等离子体激模式产生的平带。等离子体参数和几何参数都会对两者产生影响，并且对能带整体结构也有较弱的影响。 3.设计了一种以等离子体为背景介质，氧化铝陶瓷创造缺陷波导和点缺陷谐振腔的可调滤波器，滤波器工作频率是在PPC的截止频率，不依赖布拉格PBG。控制谐振频率小于有效等离子体频率以获得局域模式。研究了缺陷的介电常数，等离子体密度和碰撞频率对透射峰和品质因子的影响。等离子体的吸收可以减小滤波器的峰值透射率和品质因子Q。 4.设计了一种基于界面态的可调滤波器，滤波器由1DPC与2DPPC构成。通过调节等离子体密度，使2DPPCs的禁带消失再重新打开，再调节1DPC的参数使得两个光子晶体的禁带重合，可以在禁带范围内获得窄带高透射率。研究了禁带匹配度，等离子体密度和碰撞频率对透射峰和品质因子的影响。调节等离子体密度可以调节滤波器的中心频率和Q值。滤波器对等离子体碰撞频率不敏感，碰撞频率的变化对滤波器性能几乎没有影响。 5.设计了一种可调的波导分路器，在波导分路器的输出波导中插入等离子体柱，通过调节等离子体密度调节不同波导中的透射率。在不同频率范围，两个输出波导的透射率也会有差异，调节等离子体密度可以在实现不同频率的波的分流。通过实验验证了这一现象，但在等离子体密度较低时，石英介质的作用明显，Port2的透射率会大于Port3的透射率，需要在一定的等离子体密度范围内进行调节，才能获得预期理想的效果。
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