VACUUM ELECTRONICS真空电子技术 ·平面化及光子晶体慢波结构行波管专辑· 光子晶体在真空电子器件中的应用 师凝洁，许多，王未欣，王战亮，现华荣，段兆云，路志刚，魏彦玉，宫玉彬 (电子科技大学电子科学与工程学院微被电真空器件技术国家级重点实验室，四川成都610O54) The Application of Photonic Crystals in Vacuum Electron Devices SHI Ning-jie,XU Duo,WANG He-xin,WANG Zham-liang.GONG Huarong,DUAN Zhao-yun, LU Zhi-gang,WEI Yarryu.GONG Yu-bin (National Key Lab of Science and Technology on Vacuum Electronics.School of Electronic Science and Enginering Uniwrsity of Electromic Science and Technology of China.Chengdu 610054.China) Abstract.Based on a brief introduction.the application of photonic crystals in yacuum electron devices and the development prospect are introduced.New idea for the development of microwave vacuum tronics through combining photonic erystals with vacuum electronics is provided Key words:Photonic crystal,Vacuum devices.Photonic band gap.Defect 摘要：本文介绍了光子品体的概念和结构特性，对近年来含有光子品体的新型结构在电真空器件中的应用进行了详细地 介绍和评述，展望了光子品体的发展前景。光子品体和真空电子器件的结合为微波电真空器件的发展提供的新思路。 关键词：光子晶体；电真空器件；光子晶体带慰：缺陷 中图分类号：TN124文献标识码：Adoi:10.16540/1.cnki.cn11-2485/tn.2018.02.02 1987年，美国贝尔实验室的E.Yablonoviteh 将固体物理中品体的概念和和电磁学的相关理 和普林斯倾大学的S.Johm9通过与固体物理中传 论结合，提出光子晶体的概念。它与固体物理中品 统的品体的概念类比，分别独立地提出了光子品体 体的概念具有很强的类比性。在固体物理中，品体 的概念。光子品体是由不同折射率的介质周期性排 的概念为由大量微观物质单位（原子、离子、分子等） 列而成的人工微结构 按一定规则有序排列的结构。这些微观粒子在品体 作为一种周期性排布的结构，根据光子品体结 中有规律地列所形成的几何空间架构被定义为品 构的周期性维度，依次将其分为一维、二维、三维光 格。在品体的周期性势场中做共有化运动的电子的 子品体。一维、二维、三维光子品体分别在一个，两 能缓形成的带称为品体的能带。电子在品体中的传 个、三个方向上具有周期性，如图1所示 播呈周期性，品体的成分和几何形状决定了其传导 (a)一维光子品体 ()二验光子品体 (c)三推光子品体 图】光子品体结枸示意图 基金项目：国家自然科学恭金项目(61531010) 2018-029 1994-018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
ＶＡＣＵＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ 真空电子技术 ２０１８－０２ ·平面化及光子晶体慢波结构行波管专辑· 光子晶体在真空电子器件中的应用 师凝洁，许 多，王禾欣，王战亮，巩华荣，段兆云，路志刚，魏彥玉，宫玉彬 （电子科技大学电子科学与工程学院 微波电真空器件技术国家级重点实验室，四川 成都 ６１００５４） ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌｓｉｎＶａｃｕｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ ＳＨＩＮｉｎｇ－ｊｉｅ，ＸＵ Ｄｕｏ，ＷＡＮＧ Ｈｅ－ｘｉｎ，ＷＡＮＧＺｈａｎ－ｌｉａｎｇ，ＧＯＮＧ Ｈｕａ－ｒｏｎｇ，ＤＵＡＮＺｈａｏ－ｙｕｎ， ＬＵＺｈｉ－ｇａｎｇ，ＷＥＩＹａｎ－ｙｕ，ＧＯＮＧＹｕ－ｂｉｎ （ＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＬａｂｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＶａｃｕｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＣｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｉｎｖａｃｕｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｓｐｅｃｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｎｅｗｉｄｅａｆｏｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｖａｃｕｕｍｅｌｅｃ－ ｔｒｏｎｉｃｓｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｂｉｎｉｎｇｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓｗｉｔｈｖａｃｕｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ，Ｖａｃｕｕｍｄｅｖｉｃｅｓ，Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄｇａｐ，Ｄｅｆｅｃｔ 摘要：本文介绍了光子晶体的概念和结构特性，对近年来含有光子晶体的新型结构在电真空器件中的应用进行了详细地 介绍和评述，展望了光子晶体的发展前景。光子晶体和真空电子器件的结合为微波电真空器件的发展提供的新思路。 关键词：光子晶体；电真空器件；光子晶体带隙；缺陷 中图分类号：ＴＮ１２４ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１６５４０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ１１－２４８５／ｔｎ．２０１８．０２．０２ 基金项目：国家自然科学基金项目（６１５３１０１０） （ａ）一维光子晶体 （ｂ）二维光子晶体 （ｃ）三维光子晶体 图１ 光子晶体结构示意图 １９８７年，美国贝尔实验室的 Ｅ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ［１］ 和普林斯顿大 学 的 Ｓ．Ｊｏｈｎ［２］通过与固体物理中传 统的晶体的概念类比，分别独立地提出了光子晶体 的概念。光子晶体是由不同折射率的介质周期性排 列而成的人工微结构。 作为一种周期性排布的结构，根据光子晶体结 构的周期性维度，依次将其分为一维、二维、三维光 子晶体。一维、二维、三维光子晶体分别在一个、两 个、三个方向上具有周期性，如图１所示。 将固体物理中晶体的概念和和电磁学的相关理 论结合，提出光子晶体的概念。它与固体物理中晶 体的概念具有很强的类比性。在固体物理中，晶体 的概念为由大量微观物质单位（原子、离子、分子等） 按一定规则有序排列的结构。这些微观粒子在晶体 中有规律地排列所形成的几何空间架构被定义为晶 格。在晶体的周期性势场中做共有化运动的电子的 能级形成的带称为晶体的能带。电子在晶体中的传 播呈周期性，晶体的成分和几何形状决定了其传导
真空电子技术VACUUM ELECTRONICS 特性。根据固体物理的理论，品体的能带结构存 品体的加工工艺更易实现，制造难度较小，同时理论 的带隙使得在某些特定的方向上，某些特定的能国 分析比 维光子品体更为成熟。此外，利用仿真软 无法在电子中传输。当品格势阱足多大时，电子的 件计算时，在尺寸量级相当时，二维光子品体仿真的 能量带隙可以覆盖所有可能传播的方向，从而形成 云算量元小干一维光子品体 一个完整的带隙。 虽然光子品体的概令最早在光学领域中提出 光子品体与品体的可类比性主要体现在两个方 但目前，其研究领域已经拓展到了微波学和声学等 面：在结构方面，光子品体中折射率不同的介质排列 领域。尤其是在微波学领域，光子晶体因其独特、优 规律可以与品体中原子的排列规律相类比：在能量 良的电磁学特性，引起了科研人员的注意。关于光 传给方而，光子品体中的光子带(Photonic band 子品体在微波学中应用的研究成果层出不穷3一) Ga即，PBG)可以与品体中电子的能量带隙相类比。 1 光子带隙又可称为光子禁带，是满足特定条件 光子晶体的应用 白1987年 且不能在光子品体中传输的光子能量范围。当光 子晶体的概念提出以来，随着对光 子品体的研究不断深入，相关课题逐渐成为全球 品体应用于微波或电磁场领域时，光子的能量范围 注的热点。美国《科学》杂志在1999年将光子品体 对应为电磁波的频率范围。以一维光子晶体为例 的研究列为十大料学讲展之一们。光子品体的发现 不能沿一维光子品体中不同折射率介质的周期性分 布方向传播的电磁波频率范围称为光子带隙 和其有趣的结构特性为光和电磁波的传播、控制提 供了许多新思路 光子品体由于在两个方向上具有周期性，在第三 自光子品体的概念被提出，针对光子品体的可 方向上分布均匀，可以在周期性平面内产生光子带 究一直在不断推进。利用光子品体的光子禁带和光 省：二推米子品体结物在二个方向郭且有周期性 子局限特性，世界各地的学者们设计出了光子晶体 因而可以在空间内形成 个完整的光子带.沿 方向都不会有波传 维光子品体具有完全》 光纤、光子品体波导、光子品体谐振腔、平板光 子月 子带隙的发现 体、光子晶体窄带滤波器、光 离器，布拉格光纤 是光子晶体领域最重要的成就 众多新型的微波器件。1990年，Yablonovitch等 幻，同时，具有光子带隙是光子品体所独有的电磁 首次设计加工出了在在全方位光子禁带的光子品 学特征之 除了且右光子带光子品体另 个显苦的 体，该结构具有对称性，禁带位于10~13GHz 2001年Ioh 磁学特征是其具有光子局限 所谓光子局限，是扑 1等发表了关于布拉格光纤及其损 光子品体结构中小部分不满足结构周期性规律的区 耗分析的文章；2003年，Russell针对光子品体光气 做了样出的介绍：2006年，Mendez和Morse针树 域对光子传播的束缚现象。当光子晶体原有的对称 新型的光子品体光纤做了综述。此外，Biarkley和 性和周相性被破坏材，结构中被破坏的位置形成甜 陷，产生带极府的缺路态在来子品体中引入封 2003年2005年针对光子品体光纤专 种程度的缺陷，与缺陷态频率相吻合的光子或电酷 门出版了相关教材 波被局限在缺陷位置， 旦偏离缺陷位置，能量将迅 得益于微加工制造工艺的发展，针对光子品付 速意诚。缺路态的本质是一种漏模或谐振模式。光 的研究从一开始单纯的理论研究转变为理论研究与 器件研发相结合，在此过程中，理论研究与实际工 子品体中的缺陷根据缺略区域的几何形状可以分为 点缺陷和线缺陷。当光子品体中形成点缺陷时，光 艺相互指导、相互促进，使得光子品体的相关研究发 被局限在缺陷点内，无法沿任何方向传播。 当光 展迅速，更多应用领域被不发摇 进入21世纪以来，随着太赫蕊器件和微加工貞 品体中形成线缺陷时，被局限于线缺陷区域中的光 子只能沿线缺路方向传播。 空电子器件的发展，光子品体的研究逐渐拓展至直 光子带路和光子局限是所有光子品体所北右的 空电子器件领域。 电学特征，在多个学到和领域中且有广应用 2 光子晶体在电真空器件中的应用 相较于 一维和二维光子品体 维光 子品体具有 真空的 子技术作 门已经有 百余年发展历 全光子带隙，在理论上具有诸多优势。但在实际加 史的学科，其理论研究已经较为成熟，器件性能水平 工中，三维光子品体制造难度较大，实现较为困难， 也相当优越，但根据目前已有的研究成果来看，传统 理论也更为复杂。与三维光子品体相比，二维光子 电真空器件中仍有一些普遍存在而亟待解决的问 102018-02 1004.2018chi al Electronic Publishing ve www.cnki.ne
真空电子技术 ＶＡＣＵＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ▉ ２０１８－０２ 特性。根据固体物理的理论，晶体的能带结构存在 的带隙使得在某些特定的方向上，某些特定的能量 无法在电子中传输。当晶格势阱足够大时，电子的 能量带隙可以覆盖所有可能传播的方向，从而形成 一个完整的带隙。 光子晶体与晶体的可类比性主要体现在两个方 面：在结构方面，光子晶体中折射率不同的介质排列 规律可以与晶体中原子的排列规律相类比；在能量 传输方面，光 子 晶 体 中 的 光 子 带 隙（Ｐｈｏｔｏｎｉｃｂａｎｄ Ｇａｐ，ＰＢＧ）可以与晶体中电子的能量带隙相类比。 光子带隙又可称为光子禁带，是满足特定条件 且不能在光子晶体中传输的光子能量范围。当光子 晶体应用于微波或电磁场领域时，光子的能量范围 对应为电磁波的频率范围。以一维光子晶体为例， 不能沿一维光子晶体中不同折射率介质的周期性分 布方向传播的电磁波频率范围称为光子带隙。二维 光子晶体由于在两个方向上具有周期性，在第三个 方向上分布均匀，可以在周期性平面内产生光子带 隙；三维光子晶 体 结 构 在 三 个 方 向 都 具 有 周 期 性， 因而可以在空间内形成一个完整的光子带隙，沿任 一方向都不会有波传播。三维光子晶体具有完全光 子带隙 的 发 现，是 光 子 晶 体 领 域 最 重 要 的 成 就 之 一［３］，同时，具有光子带隙是光子晶体所独有的电磁 学特征之一。 除了具有光子禁带，光子晶体另一个显著的电 磁学特征是其具有光子局限。所谓光子局限，是指 光子晶体结构中小部分不满足结构周期性规律的区 域对光子传播的束缚现象。当光子晶体原有的对称 性和周期性被破坏时，结构中被破坏的位置形成缺 陷，产生频带极窄的缺陷态。在光子晶体中引入某 种程度的缺陷，与缺陷态频率相吻合的光子或电磁 波被局限在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置，能量将迅 速衰减。缺陷态的本质是一种漏模或谐振模式。光 子晶体中的缺陷根据缺陷区域的几何形状可以分为 点缺陷和线缺陷。当光子晶体中形成点缺陷时，光 被局限在缺陷点内，无法沿任何方向传播。当光子 晶体中形成线缺陷时，被局限于线缺陷区域中的光 子只能沿线缺陷方向传播。 光子带隙和光子局限是所有光子晶体所共有的 电磁学特征，在多个学科和领域中具有广泛应用。 相较于一维和二维光子晶体，三维光子晶体具有完 全光子带隙，在理论上具有诸多优势。但在实际加 工中，三维光子晶体制造难度较大，实现较为困难， 理论也更为复杂。与三维光子晶体相比，二维光子 晶体的加工工艺更易实现，制造难度较小，同时理论 分析比三维光子晶体更为成熟。此外，利用仿真软 件计算时，在尺寸量级相当时，二维光子晶体仿真的 运算量远小于三维光子晶体。 虽然光子晶体的概念最早在光学领域中提出， 但目前，其研究领域已经拓展到了微波学和声学等 领域。尤其是在微波学领域，光子晶体因其独特、优 良的电磁学特性，引起了科研人员的注意。关于光 子晶体在微波学中应用的研究成果层出不穷［３－５］。 １ 光子晶体的应用 自１９８７年光子晶体的概念提出以来，随着对光 子晶体的研究不断深入，相关课题逐渐成为全球关 注的热点。美国《科学》杂志在１９９９年将光子晶体 的研究列为十大科学进展之一［６］。光子晶体的发现 和其有趣的结构特性为光和电磁波的传播、控制提 供了许多新思路。 自光子晶体的概念被提出，针对光子晶体的研 究一直在不断推进。利用光子晶体的光子禁带和光 子局限特性，世界各地的学者们设计出了光子晶体 光纤、光子晶体波导、光子晶体谐振腔、平板光子晶 体、光子晶体窄带滤波器、光隔离器、布拉格光纤等 众多新型的微波器件。１９９０年，Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ等［７］ 首次设计加工出了存在全方位光子禁带的光子晶 体，该结构具有对称性，禁 带 位 于 １０～１３ ＧＨｚ； ２００１年，Ｊｏｈｎｓｏｎ等发表了关于布拉格光纤及其损 耗分析的文章；２００３年，Ｒｕｓｓｅｌｌ针对光子晶体光纤 做了详细 的 介 绍；２００６年，Ｍｅｎｄｅｚ和 Ｍｏｒｓｅ针对 新型的光子晶体光纤做了综述。此 外，Ｂｊａｒｋｌｅｖ和 Ｚｏｌｌａ分别于２００３年２００５年针对光子晶体光纤专 门出版了相关教材［３］。 得益于微加工制造工艺的发展，针对光子晶体 的研究从一开始单纯的理论研究转变为理论研究与 器件研发相结合。在此过程中，理论研究与实际工 艺相互指导、相互促进，使得光子晶体的相关研究发 展迅速，更多应用领域被不断发掘。 进入２１世纪以来，随着太赫兹器件和微加工真 空电子器件的发展，光子晶体的研究逐渐拓展至真 空电子器件领域。 ２ 光子晶体在电真空器件中的应用 真空电子技术作为一门已经有一百余年发展历 史的学科，其理论研究已经较为成熟，器件性能水平 也相当优越，但根据目前已有的研究成果来看，传统 电真空器件中仍有一些普遍存在而亟待解决的问
4 CUUM ELECTRONKCS真空电子技术 题。光子品体技术的引入对解决一部分问题十分有 管的研究，设计出了一种新型的G波段光子带隙曲 效，适当地在电真空器件中应用光子品体结构可以 折波导行波管。该结构在220GHz时，可以获得高 抑制模式奇争，实现单模传输，从而增大申直空器件 达225W的给出功率.增益为427dB.申子注效率 的功率容量，提高器件的工作效率和稳定性 可大到149% 光子品体结构在电真空器件中的应用方式多种 文献[14]描述了一个光子晶体加载的慢波结 多样，日的和效果也不尽相同 目 ,业内的学者 构，比较了尺寸相同的传统曲折波导行波管与光 已经针对不同类型的电其空器件结合光子品体结构 品体加载的曲折波导行波管的耦合阻抗，饱和输出 研发了众多电直空器件。 功率、增益等参数。如图2所示，光子品体位于慢波 21光子品体在行波管中的应用 结构的外部，慢波结构的工作模式处于光子禁带内， 传统行波管中，全金属封闭构成的慢波电路中 同时非工作模式正好位于光子禁带外。对于工作模 存在杂模， 与工作模式之间形成模式竞争，破坏了有 式的电磁波，慢波通道区域等效为光子晶体的线 被管的单模工作状态，从而导致行波管增益，输出功 陷，部分频率的光子（工作模式的电磁被）被束缚于 率和效率的隆低 其中沿线传播，而另一部分频率的光子（非工作想式 将光子品体结构应用于行波管中，能有效降低 的电磁波)则不会受到束缚。工作模式和非工作模 模式竞争。光子品体所具有的光子带隙特性决定了 式的电场场强分布如图3所示 子带限的范围、光 可以看出工作模式 其对电磁波的选择通过性 ,并且光 磁波被很好地束缚在 慢波通道之中 ,电场能 子品体的几何结构尺寸可以通过人工控制。通过 集中于电子注附近，而非工作模式的电磁波可以铝 光子品休结物的尺计设计，使得行被管中期望的工 射到光子品体内部。在老实际材制损耗的情识 作模式处于子品体的禁带之中，而非期望的杂模 下，这些非工作模式的电磁波能量将在光子晶体中 处于光子品体的禁带之外。采用这种光子品体取代 被耗散。 通过仿真计算，发现光子品体不仅能降低 传统行波管慢波结构的金属壁，可以将杂模筛出注 慢波结构中的模式竞争，光子品体加载还能降低修 波互作用区域，减小电子与杂模的互作用程度，实现 波结构中的电磁波相速。比较相同结构尺寸的普通 降低模式意争的日的。除此之外，光子品体在行波 曲折波导慢波结构和光子品体加载曲折波导慢波结 管中还有不少其他的应用方式，各种光子品体行波 构中的电盛波归一化相速，可以看出相同频率的电 管被相继提出。 磁波在后者中的归一化相速明显小于前者中的，同 2004年，陈志平等对光子品体据慢波电路进 时，后者中的归一化相速随频率变化曲线也比较 行研究并申请了创新优先权。同年，Aimee等小 稳，如图4所示。这种新型行被管因其模式竞争较 工了行波管用的传输方向均匀的一维光子品体，并 测而县有电稳定的输出功泰和申高的电子注效率 对其进行了测试。2005年美国L0sA1am0s国家 光子品体可以对慢波结构中的电磁场模式进行 验室首次提出光子晶体慢波电路，并于2008年设 选择，为行波管高次模式工作的实现提供了 一种可 、加工和冷测 维光子品体Omniguide的慢波 行的方案 在慢波结构中加载的光子晶体能够过 电路。2007年，Smirnova等设计并加工出了W 慢波通道内的电磁波，将特定的期望模式的电磁波 波段的硅材料与真空层周期交错排列的圆波导，其 保留在慢波通道内，其他模式的电磁波被耗散于光 工作模式是准TM,模，工作电压是120kV,并对其 子品体内部，从而保证慢波通道内的注波互作用效 进行冷测试。2009年，殷海荣等研究了光 体带隙和光子品体慢波电路的联系，提出了计算光 凝 子带隙和确定工作带的方法，2010年，Swatu Raw al.RK.Sinha和Richard m.De la rus】在绍 介质基底为硅，用液品填充光子品体波是通道，在硅 片上有二维周期排列空气孔的新型光子品体曲折 导行波管。同年，宫玉彬等 介绍 维光子品体 加载曲折波导慢波结构，对TM模的色散特性、耦 合阻抗和注波互作用进行了仿真研究，2016年 6个网期结为 单期结 Esmaeel Tahanian等基于各国对光子品体行波 图2光子品体曲折波导慢波 2018-021☐ 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
ＶＡＣＵＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ 真空电子技术 ２０１８－０２ ▉ 题。光子晶体技术的引入对解决一部分问题十分有 效，适当地在电真空器件中应用光子晶体结构可以 抑制模式竞争，实现单模传输，从而增大电真空器件 的功率容量，提高器件的工作效率和稳定性。 光子晶体结构在电真空器件中的应用方式多种 多样，目的和效果也不尽相同。目前，业内的学者们 已经针对不同类型的电真空器件结合光子晶体结构 研发了众多电真空器件。 ２．１ 光子晶体在行波管中的应用 传统行波管中，全金属封闭构成的慢波电路中 存在杂模，与工作模式之间形成模式竞争，破坏了行 波管的单模工作状态，从而导致行波管增益、输出功 率和效率的降低。 将光子晶体结构应用于行波管中，能有效降低 模式竞争。光子晶体所具有的光子带隙特性决定了 其对电磁波的选择通过性，并且光子带隙的范围、光 子晶体的几何结构尺寸可以通过人工控制。通过对 光子晶体结构的尺寸设计，使得行波管中期望的工 作模式处于光子晶体的禁带之中，而非期望的杂模 处于光子晶体的禁带之外。采用这种光子晶体取代 传统行波管慢波结构的金属壁，可以将杂模筛出注－ 波互作用区域，减小电子与杂模的互作用程度，实现 降低模式竞争的目的。除此之外，光子晶体在行波 管中还有不少其他的应用方式，各种光子晶体行波 管被相继提出。 ２００４年，陈志平等［９］对光子晶体栅慢波电路进 行研究并申请了创新优先权。同年，Ａｉｍｅｅ等［１０］加 工了行波管用的传输方向均匀的二维光子晶体，并 对其进行了测试。２００５年美国 ＬｏｓＡｌａｍｏｓ国家实 验室首次提 出 光 子 晶 体 慢 波 电 路，并 于２００８ 年设 计、加工和冷测了一维光子晶体 Ｏｍｎｉｇｕｉｄｅ的慢波 电路。２００７年，Ｓｍｉｒｎｏｖａ等［１１］设计并加 工 出 了 Ｗ 波段的硅材料与真空层周期交错排列的圆波导，其 工作模式是准 ＴＭ０１模，工作电压是１２０ｋＶ，并对其 进行冷测 试。２００９ 年，殷海 荣 等［１２］研究 了 光 子 晶 体带隙和光子晶体慢波电路的联系，提出了计算光 子带隙和确定工作带的方法。２０１０年，ＳｗａｔｕＲａｗ－ ａｌ，Ｒ．Ｋ．Ｓｉｎｈａ和 Ｒｉｃｈａｒｄ Ｍ．ＤｅＬａＲｕｅ［１３］介绍了 介质基底为硅，用液晶填充光子晶体波导通道，在硅 片上有二维周期排列空气孔的新型光子晶体曲折波 导行波管。同年，宫玉彬等［１４］介绍了二维光子晶体 加载曲 折 波 导 慢 波 结 构，对 ＴＭ 模的 色 散 特 性、耦 合阻抗 和 注－波互 作 用 进 行 了 仿 真 研 究。２０１６ 年， ＥｓｍａｅｅｌＴａｈａｎｉａｎ等［１５］基于各国对光子晶体行波 管的研究，设计出了一种新型的 Ｇ 波段光子带隙曲 折波导行波管。该结构在２２０ＧＨｚ时，可以获得高 达２２５ Ｗ 的输出功率，增益为４２．７ｄＢ，电子注效率 可达到１４．９％。 （ａ）６个周期结构 （ｂ）单周期结构 图２ 光子晶体曲折波导慢波结构 文献［１４］描述 了 一 个 光 子 晶 体 加 载 的 慢 波 结 构，比较了尺寸相同的传统曲折波导行波管与光子 晶体加载的曲折波导行波管的耦合阻抗，饱和输出 功率、增益等参数。如图２所示，光子晶体位于慢波 结构的外部，慢波结构的工作模式处于光子禁带内， 同时非工作模式正好位于光子禁带外。对于工作模 式的电磁波，慢波通道区域等效为光子晶体的线缺 陷，部分频率的光子（工作模式的电磁波）被束缚于 其中沿线传播，而另一部分频率的光子（非工作模式 的电磁波）则不会受到束缚。工作模式和非工作模 式的电场场强分布如图３所示。可以看出工作模式 电磁波被很好地束缚在了慢波通道之中，电场能量 集中于电子注附近，而非工作模式的电磁波可以辐 射到光子 晶 体 内 部。在 考 虑 实 际 材 料 损 耗 的 情 况 下，这些非工作模式的电磁波能量将在光子晶体中 被耗散。通过仿真计算，发现光子晶体不仅能降低 慢波结构中的模式竞争，光子晶体加载还能降低慢 波结构中的电磁波相速。比较相同结构尺寸的普通 曲折波导慢波结构和光子晶体加载曲折波导慢波结 构中的电磁波归一化相速，可以看出相同频率的电 磁波在后者中的归一化相速明显小于前者中的，同 时，后者中的归一化相速随频率变化曲线也比较平 稳，如图４所示。这种新型行波管因其模式竞争较 弱而具有更稳定的输出功率和更高的电子注效率。 光子晶体可以对慢波结构中的电磁场模式进行 选择，为行波管高次模式工作的实现提供了一种可 行的方案。在慢波结构中加载的光子晶体能够过滤 慢波通道内的电磁波，将特定的期望模式的电磁波 保留在慢波通道内，其他模式的电磁波被耗散于光 子晶体内部，从而保证慢波通道内的注－波互作用效
真空电子技术VACUUM ELECTRONICS )工作想 《)工作根式 图3工作模式和非工作模式的纵向电场分 布 图+光子品体曲折波导和传统 曲折被导的色龄图形比 果不被杂模干扰。同时，加载光子品体，可以在 定 表】慢波结构的尺寸参数 程度上降低行波管的工作电压。此外，应用于微波 (单位：m) 频段的光子品体结构几何尺寸较大，在现有的微加 工技术水平下容易实现，因此，光子品体模型具有可 光啊 实现性，光子品体曲折波导的理论成果以及仿真结 果也有可能被加以实验验证。 22光子晶体在返波管中的应用 参8值38019068 3488290 随若科技的进步，微波功率器件不断地向大功 率、高频率的方向发展。太赫兹频段作为频率介于 表2光子品体的尺寸参数 毫米波和可见频段光之间频段，发展前景十分广阔 (单位：m) 太赫兹源、太赫兹通信也正是目前科学界研究的 门话题。在太赫兹频段，返波管被认为是提供太赫 参数值 兹功率最有前量的申直空器件司。因为在这个期 段，返波管可以减小使用金属周期性波导和亚毫为 190 范围内的尺寸所带来的一些挑战。 2013年，英国兰卡断特大学的R.Letizia等17 提出了一种含有光子品体壁结构的被纹状被导， 结构可以在太赫兹段内与带状电子注进行有效的 注波互作用。文献[17]提出的这种新型波纹波导 将波纹波导的侧壁用特定尺寸的二维光子晶体结构 代替，使得直空抽吸过程更加快速高效。同时，这种 图5光子品体壁波纹波导剖视图 结构在实际加工中比传统波纹波导更易组装，特别 在金属内壁表面的损耗。同时，该光子晶体结构在 适合应用于太赫兹频段的返波管中 工乙上的实现方式较多，其结构尺寸决是了它既通 文献「17门设计的光子品体壁波纹波导的各部分 合微机械加工，又话合光刻加工，十分伸特 结构参数如表1、表2所示。其中，光子晶体的金属 2016年，Rosa letizia等司又在此前结构的是 部分所使用的材料为铜，晶格平面在一平面内 础上，设计出了工作频率为346GHz的渐变式光子 图5是文献[17]所设计的光子晶体壁波纹波导的部 品体波纹波导返波管。在返波管中，利用光子品 视图。该波导应用于工作频为0.6Q7THz,工 结构可以形成一个天然的电子注通道，为带状注提 作申压为10kV的返波管。通过对图6中传统波纹 供了一个非常宽的电子注通道，同时不需要考虑阻 波导和光子品体壁波纹波导中电场分布的比较，可 抗匹配的问题。文献「18]中的渐变式光子品体波纹 以清晰地看到，工作模式电磁波电场被限制在光子 波导的几何尺寸如表3所示。 此外， 传统的电真 品体线缺陷中，能量并未渗透到光子品体内部。光 空器件的互作用结构相比，文献L17,18」中提出的 子晶体使得波导侧壁不如金属侧壁平整，但总体上 构设计更具有灵活性，其中的渐变式光子晶体结构 并不影响波导内电磁场的分布，并且能减少电磁场 具有下截止频率。非渐变式光子品体波纹波导、渐 122018-02 1994-2018 China Academic mal Electronic Publishing House rights ve www.cnki.ne
真空电子技术 ＶＡＣＵＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ▉ 〇 ２０１８－０２ （ａ）工作模式 （ｂ）非工作模式 图３ 工作模式和非工作模式的纵向电场分布 图４ 光子晶体曲折波导和传统 曲折波导的色散图形比较 果不被杂模干扰。同时，加载光子晶体，可以在一定 程度上降低行波管的工作电压。此外，应用于微波 频段的光子晶体结构几何尺寸较大，在现有的微加 工技术水平下容易实现，因此，光子晶体模型具有可 实现性，光子晶体曲折波导的理论成果以及仿真结 果也有可能被加以实验验证［１４］。 ２．２ 光子晶体在返波管中的应用 随着科技的进步，微波功率器件不断地向大功 率、高频率的方向发展。太赫兹频段作为频率介于 毫米波和可见频段光之间频段，发展前景十分广阔， 太赫兹源、太赫兹通信也正是目前科学界研究的热 门话题。在太赫兹频段，返波管被认为是提供太赫 兹功率最有 前 景 的 电 真 空 器 件［１６］。因为 在 这 个 频 段，返波管可以减小使用金属周期性波导和亚毫米 范围内的尺寸所带来的一些挑战。 ２０１３年，英国兰卡 斯 特 大 学 的 Ｒ．Ｌｅｔｉｚｉａ等［１７］ 提出了一种含有光子晶体壁结构的波纹状波导，该 结构可以在太赫兹频段内与带状电子注进行有效的 注－波互作用。文献［１７］提出的这种新型波纹波导， 将波纹波导的侧壁用特定尺寸的二维光子晶体结构 代替，使得真空抽吸过程更加快速高效。同时，这种 结构在实际加工中比传统波纹波导更易组装，特别 适合应用于太赫兹频段的返波管中。 文献［１７］设计的光子晶体壁波纹波导的各部分 结构参数如表１、表２所示。其中，光子晶体的金属 部分所使 用 的 材 料 为 铜，晶 格 平 面 在 ｘ－ｚ 平面 内。 图５是文献［１７］所设计的光子晶体壁波纹波导的剖 视图。该波导应用于工作频率为０．６～０．７ＴＨｚ，工 作电压为１０ｋＶ 的返波管。通过对图６中传统波纹 波导和光子晶体壁波纹波导中电场分布的比较，可 以清晰地看到，工作模式电磁波电场被限制在光子 晶体线缺陷中，能量并未渗透到光子晶体内部。光 子晶体使得波导侧壁不如金属侧壁平整，但总体上 并不影响波导内电磁场的分布，并且能减少电磁场 表１ 慢波结构的尺寸参数 （单位：μｍ） 参数 ａ ｂ ｐ ｓ ｈ ｗ 参数值 ３８０ １９０ ６８ ３４ ８８ ２９０ 表２ 光子晶体的尺寸参数 （单位：μｍ） 参数 参数值 ａｐ ２０４ ｓｐ ８５ ｈｐ １９０ 图５ 光子晶体壁波纹波导剖视图 在金属内壁表面的损耗。同时，该光子晶体结构在 工艺上的实现方式较多，其结构尺寸决定了它既适 合微机械加工，又适合光刻加工，十分便捷。 ２０１６年，ＲｏｓａＬｅｔｉｚｉａ等［１８］又在此前结 构 的 基 础上，设计出了工作频率为３４６ＧＨｚ的渐变式光子 晶体波纹波导返波管。在返波管中，利用光子晶体 结构可以形成一个天然的电子注通道，为带状注提 供了一个非常宽的电子注通道，同时不需要考虑阻 抗匹配的问题。文献［１８］中的渐变式光子晶体波纹 波导的几何尺寸如表３所示。此外，与传统的电真 空器件的互作用结构相比，文献［１７，１８］中提出的结 构设计更具有灵活性，其中的渐变式光子晶体结构 具有下截止频率。非渐变式光子晶体波纹波导、渐
4 CUUM ELECTRONKCS真空电子技术 变式光子品体波纹波导和传统的波纹波导结构及色 散曲线的比例如图7所示。与此同时，文献[18]中 的渐变式的光子品体结构中还设计了一个弯曲90 的光子品体摇合腔，其结构如图8所示。P1,P2,P3 的缺陷为端口1提供了最好的传输特性，即使光子 品体和顶部盖板之间存在空隙，合腔也能很好 保持其特性。该渐变式光子品体耦合腔的S参数 如图9所示。 一 图7()渐变式光子品体被纹被导：(b)传统的波纹波导 llI0oese 《c)非渐变式光子品体波纹波导：()各结构色散自线比较 3光道 (a)传统泼议被号 Port I-SWS 图8渐变式光子品体耦合腔结构 (b)光子品体膝波纹被导 通常利用低温超导材料来产生回旋管工作时所需的 图6传统波纹波导和光子品体壁波纹波导的电场分布 磁场，以满足其工作要求。传统的基波回旋管对工 作磁场要求苛刻，回旋管的应用价值因此受到限制 表3渐变式光子品体波纹波导几何尺寸 为了减小工作磁场，提高回旋管的适用性，通常在工 作频率较高时采用高次模式工作。 采用高次模式工作意味着回旋管中存在多种诺 Pillar 波，与行波管慢波结构中的情况相似，诺波会破坏回 re/mm 004 a05 008 旋管的工作条件，引起严重的模式竞争降低回旋管 /ao Q13 017 023 027 的效率回。为了解决这个间恩，可以利用光子晶你 071 谐振腔来代替传统的圆柱形谐振腔，消除回旋管谐 036 振腔中的杂模。在文献厂21门中提到的新型光子品休 030 回旋管中，光子品体谐振腔是 种由金属圈柱杆组 016 w/mm 054 成的周期性的阵列，将光子结构中心的一部分金属 杆移除，形成一个点缺路风域，用来作为注-波互作 23光子晶体在回旋管中的应用 用区域。这种新型光子品体谐振腔大幅度提高了回 回旋管是一种基于电子回旋脉塞机理的快波器 旋管的注-波互作用效率四 件，在毫米波乃至太赫蕊颗段产生千瓦甚至兆瓦级 2013年，MIT的E.A.Nanni等设计出了 连续波相干辐射，在国防科学领域具有极高的应用 工作频率为247.7GHz,工作电压为32kV的新型 价值，实现了此频段下其它微波管和光器所不能 光子品体回旋管，在035A时，该支回旋管实现了 现的性能指标 回旋管在 功率通信 ,等离子力 小信号38dB的峰值增益，峰值增益的3dB带宽为 热、新材料制造，核磁共振以及高能粒子加速器等领 Q4GH2,测得峰值输出功率为45W,其饱和输 域具有广阔的应用前景[一)。回旋管的谐振频率 功竿能达到500W。其中，传统的圆柱被导中的 是由所使用的轴向磁场所决定的。在实际应用中 TE模与文献「221中所设计的光子品体波导中类 2018-021☒ 9-01 China Academie Joumal Publishing House.All rights reserved.http://www.enkie
ＶＡＣＵＵＭＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ 真空电子技术 ２０１８－０２ ▉ 变式光子晶体波纹波导和传统的波纹波导结构及色 散曲线的比例如图７所示。与此同时，文献［１８］中 的渐变式的光子晶体结构中还设计了一个弯曲９０° 的光子晶体耦合腔，其结构如图８所示。Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ 的缺陷为端口１提供了最好的传输特性，即使光子 晶体和顶部盖板之间存在空隙，耦合腔也能很好地 保持 其 特 性。该 渐 变 式 光 子 晶 体 耦 合 腔 的 Ｓ 参数 如图９所示。 （ａ）传统波纹波导 （ｂ）光子晶体壁波纹波导 图６ 传统波纹波导和光子晶体壁波纹波导的电场分布 表３ 渐变式光子晶体波纹波导几何尺寸 Ｐｉｌｌａｒ １ ２ ３ ４ ｒｐ／ｍｍ ０．０４ ０．０５ ０．０７ ０．０８ ｒｐ／ａｐ ０．１３ ０．１７ ０．２３ ０．２７ ａ／ｍｍ ０．７１ ｂ／ｍｍ ０．３６ ａｐ／ｍｍ ０．３０ ｈ／ｍｍ ０．１６ ｗ／ｍｍ ０．５４ ２．３ 光子晶体在回旋管中的应用 回旋管是一种基于电子回旋脉塞机理的快波器 件，在毫米波乃至太赫兹频段产生千瓦甚至兆瓦级 连续波相干辐射，在国防科学领域具有极高的应用 价值，实现了此频段下其它微波管和激光器所不能 实现的性能指标。回旋管在大功率通信、等离子加 热、新材料制造、核磁共振以及高能粒子加速器等领 域具有广阔 的 应 用 前 景［１９－２０］。回旋 管 的 谐 振 频 率 是由所使用的轴向磁场所决定的。在实际应用中， 图７（ａ）渐变式光子晶体波纹波导；（ｂ）传统的波纹波导； （ｃ）非渐变式光子晶体波纹波导；（ｄ）各结构色散曲线比较 图８ 渐变式光子晶体耦合腔结构 通常利用低温超导材料来产生回旋管工作时所需的 磁场，以满足其工作要求。传统的基波回旋管对工 作磁场要求苛刻，回旋管的应用价值因此受到限制。 为了减小工作磁场，提高回旋管的适用性，通常在工 作频率较高时采用高次模式工作［２０］。 采用高次模式工作意味着回旋管中存在多种谐 波，与行波管慢波结构中的情况相似，谐波会破坏回 旋管的工作条件，引起严重的模式竞争降低回旋管 的效率［８］。为了解决这个问题，可以利用光 子 晶 体 谐振腔来代替传统的圆柱形谐振腔，消除回旋管谐 振腔中的杂模。在文献［２１］中提到的新型光子晶体 回旋管中，光子晶体谐振腔是一种由金属圆柱杆组 成的周期性的阵列，将光子结构中心的一部分金属 杆移除，形成一个点缺陷区域，用来作为注－波互作 用区域。这种新型光子晶体谐振腔大幅度提高了回 旋管的注－波互作用效率［２１］。 ２０１３年，ＭＩＴ 的 Ｅ．Ａ．Ｎａｎｎｉ等设计出 了 一 支 工作频率为２４７．７ＧＨｚ，工作电压为３２ｋＶ 的新型 光子晶体回旋管。在０．３５Ａ 时，该支回旋管实现了 小信号３８ｄＢ的峰值增益，峰值增益的３ｄＢ带宽为 ０．４ＧＨｚ，测得峰 值 输 出 功 率 为４５ Ｗ，其饱 和 输 出 功率能达到５００ Ｗ［２２］。其中，传统的圆柱波导中的 ＴＥ０３模与文 献［２２］中所 设 计 的 光 子 晶 体 波 导 中 类