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摘要研究了一文窄带光子晶体滤波器的工作原理及相关理论。结合水下光通信波段的要求，提出了单通道和多通道窄带滤波器的设计方法。采用遗传算法，将一文光子晶体的结构视为遗传算法中的二进制编码，并结合传输矩阵法，通过自适应度函数的判别达到滤波器的窄带滤波特性。利用上述方法，分别设计了单通道、双通道和多通道窄带光子晶体滤波器，峰值透过率均达到0.99以上，半高宽均小于0.2nm。最后还通过平面波展开法讨论了二文光子晶体的禁带特性。18993
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关键词 一文光子晶体滤波器 窄带 遗传算法 禁带特性 传输矩阵法
毕业设计说明书（毕业论文）外文摘要
Title The design of blue and green band single-channel narrow-band photonic crystal filter
Abstract
This paper studied the design method of narrow-band one-dimensional photonic crystal filter. Combined with the wavelengths applied in the underwater optical communications, we proposed several design methods for single-channel and multi-channel narrow-band filter. This article focused on discussing the design of narrow-band photonic crystal filter based on genetic algorithm, which can encode the one-dimensional photonic crystal structures as a series of binary codes. Combined with the transfer- matrix-method, we chose suitable fitness function to achieve the characteristics of narrow-band filter. Using the above methods, we designed single, dual and multi-channel narrowband photonic crystal filters, the peak transmittance were all above 0.99, the FWHM less than 0.2nm. Finally, through plane wave expansion method, we discussed the band gap properties of two-dimensional photonic crystals.
Keywords Photonic crystal, narrow-band, GA, photonic band gap, TMM
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 光子晶体的发展现状 1
1.3 光子晶体的应用与制备 2
1.4 光子晶体的理论研究 3
1.4.1 平面波展开方法 3
1.4.2 时域有限差分法 3
1.4.3 传输矩阵法 4
2 光子晶体的数值计算方法 5
2.1 光子晶体的本征方程 5
2.2 传输矩阵法 6
2.2.1 电磁场的边界条件 7
2.2.2 修正导纳 7
2.2.3 传输矩阵 8
2.3 平面波展开法 9
3 遗传算法的基本原理 12
3.1 遗传算法的基本原理和算法流程 12
3.1.1 编码 13
3.1.2 初始种群的生成 13
3.1.3 适应度函数 13
3.1.4 选择算子 13
3.1.5 交叉算子 14
3.1.6 变异操作 15
4 一文光子晶体滤波器的探究 16
4.1 单通道窄带滤波器 16
4.2 宽禁带窄带光子晶体滤波器 18
4.3 多通道窄带滤波器的设计 20
5 基于遗传算法的窄带光子晶体滤波器的设计 22
5.1 像素元法 22
5.2 单通道窄带滤波器的设计 23
5.3 多通道窄带滤波器设计 24
6 二文光子晶体的禁带研究 29
6.1 二文光子晶体介电常数的Fourier变换 29
7 总结与展望 32
致谢 34
参考文献 35
1 绪论
1.1 引言
一直以来，传统的水下通信方式主要是水声通信。由于其存在诸多缺点，例如传输速率低，延时长，功耗大，人们必须寻找一种新型的通信方式来克服这些问题。随着无线大气通信的迅速发展，人们的思路从大气转移到水中。但是不同频率的光在海水中的衰减不同，因此必须寻求到一个窗口波段。近年来，有人发现蓝绿波段比较适合做水下通信的窗口波段 [1]。为了在衰减很大的信道中能够进行水下通信，需要设计一个峰值透射率高、透射带宽窄、噪声截止度高窄带光学滤波器。光子晶体是 20 世纪 90 年代出现的一种新型人工材料[2]，因其具有光子局域、抑制自发辐射等物理特性，故光子晶体被认为是控制光子的光半导体。光子晶体具有良好的波长选择，高光谱分辨率和高带外抑制等优良特性，因此选来作为水下通信的滤波器件。