粒子群算法优化异质结构光子晶体环形腔滤波特性VIP免费

物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．3(2014)034205粒子群算法优化异质结构光子晶体环形腔滤波特性冰陈颖1)2)f王文跃)于娜3)1)(燕山大学电气工程学院自动化仪表系，秦皇岛066004)2)(燕山大学测试计量技术及仪器河北省重点实验室，秦皇岛066004)3)(燕山大学信息科学与工程学院，秦皇岛066004)(2013年7月23日收到；2013年9月9日收到修改稿)为了提高异质结构光子晶体环形腔滤波器的滤波特性，采用粒子群(PSO)算法对其结构参数进行全局优化．以正方晶格光子晶体环形滤波器结构为优化对象，根据粒子群算法的位置——速度更新公式，对光子晶体缺陷处散射柱、耦合介质柱和内部介质柱的半径进行全局优化．通过理论分析和数值模拟结果可以看出，滤波结构参数优化后，可实现单模窄带滤波．与此同时，归一化透射率由53％提高到97％，证明了该优化算法的有效性，从而为该滤波结构在光电器件中的应用奠定了基础．关键词：环形腔，粒子群算法，滤波器，透射率PACS：42．70．Qs，42．79．Sz，78．20．CiDOI：10．7498／aps．63．0342051弓l言Yablonovitch和John于1987年分别独立地提出了光子晶体的完整概念【，引，迄今为止该领域已经取得了前所未有的发展．光子晶体最根本的特性是光子禁带，禁带中相应频率的电磁波是被禁止传播的[3]．在光子晶体结构中引入缺陷，可以在光子晶体的完全禁带中打开允带，将改变光子晶体的传输特性[415]．基于光子晶体的光学器件具有体积小，结构紧凑，易于集成，抗干扰能力强等优点，已得到了广泛的关注，并存在着巨大的应用前景【6】．随着光通信及光传感网络技术的不断发展，光滤波器已经成为体现网络功能性和灵活性的关键器件之一．对于光滤波器的设计已有不少研究报道，例如基于多层介质薄膜、基于光纤Bragg光栅、基于阵列波导光栅或基于相位调制原理的干涉仪结构，均可实现对特定波长的选频和滤波．文献f7】提出了一种结构紧凑的、频率可调的光开关设计方法，然而基于简单光子晶体缺陷腔建立的理论模型，虽然易于制备，但在实际应用中却存在较大的局限性．文献f8]提出了一种新型光子晶体太赫兹fTHz1滤波器，利用线缺陷和微腔实现频率选择，通过改变点缺陷某些介质柱的半径来实现单信道单频率滤波．文献『9】和文献f10】采用二维光子晶体环形腔实现了滤波器和分束器的设计，其传输透射率相对较大，但是滤波和分束的带宽较宽，无法实现窄带滤波．可见，目前光子晶体滤波器的设计一般采用几种典型的耦合滤波结构，通过引入不同类型缺陷，并且经验性地调整缺陷处介质柱的几何参数来实现可调谐滤波，通常这种情况下会存在波长调节不灵活和透射率较低等问题．遗传算法(geneticalgorithm，GA)和粒子群算法(particleswarmoptimization，PSO)作为行之有国家自然科学基金(批准号：61201112，61172044)、河北省自然科学基金(批准号：F2013203250，F2012203169)和中国博士后科学基金(批准号：2012M510765)资助的课题．t通讯作者．E—mail：chenying@ysu．edu．cn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyt：／／wulixb．咖hy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．3(2014)034205效的优化设计方法，已经应用到现代光学应用技术的研究中．文献fl11采用粗粒度像素表示原胞结构，将遗传算法应用于三角晶格光子晶体的禁带设计中，得到了较好的禁带宽度，但用粗粒度像素表示原胞的方法在光子晶体结构类型的选择上存在一定的局限．Jia等[12]采用遗传算法设计了一维光子晶体滤波，实现了宽频滤波．基于以上分析，可以发现，目前对光子晶体器件传输特性优化的研究是十分必要的．文献[13】和文献[14】对粒子群优化算法和遗传算法进行了对比，结果表明粒子群优化算法在最优解的搜索效率上优于遗传算法，且精度高、收敛快．同时在计算过程中，粒子群算法没有“交叉”crossover)和“变异”(mutation)操作，简单易实现．因此本文应用粒子群算法对一种结构紧凑的正方晶格光子晶体环形滤波器结构进行优化设计，寻找全局最优的光子晶体缺陷处散射柱、耦合介质柱和内部介质柱的半径，并结合二维时域有限差分法ffinitediferencetimedomainmethod，FDTD)实现了最大归一化传输透射率的单...