Lieb晶格等离子体光子晶体基元结构原位调控

利用独特设计的阵列-液体电极介质阻挡放电装置,率先获得了Lieb晶格等离子体光子晶体,并实现了其基元大小、形状和微观形貌的多自由度原位调控。采用光电倍增管对Lieb晶格等离子体光子晶体的时空动力学行为进行了时空分辨测量。基于有限元计算,对不同基元结构的Lieb晶格等离子体光子晶体的色散关系和能带变化规律进行了系统研究。结果表明：Lieb晶格等离子体光子晶体由两套不同四方子晶格相互嵌套形成,具有优异的时空稳定性和周期性;随着Lieb晶格基元构型的改变,光子带隙发生显著变化,形成了偶然简并的类狄拉克锥结构,以及不同频段的完全带隙和非完全带隙;基元的几何形状对光子带隙数目、位置和宽度均具有重要影响。     

旋转对二维正方晶格介质柱内空结构光子晶体禁带的影响

采用平面波展开的方法计算了三种旋转操作下二维正方晶格各向异性材料(Te)介质柱内空结构光子晶体TE,TM模式能带.讨论了三种旋转操作对TE,TM模式带隙及完全光子禁带的影响.发现TM模式高频带隙与结构的旋转对称性有着密切的关系.而TE模式的带隙不仅受到晶体旋转对称性的影响同时也受到介质在x-y平面分布情况的影响. 关键词： 二维光子晶体 内空结构 旋转操作 光子带隙     

基元配置对二维光子晶体不同能带之间带隙的调节和优化

介绍一种方法来调节和优化二维光子晶体不同能带之间的带隙.在单胞中任意位置增加一个基元,可以调节不同能带之间的带隙.而且固定两个基元的最佳位置,调节两个基元柱体边长,可以找到一个合适的配置,使各自的带隙相对带宽达到更大值.同时结果也表明双基元情况下,不同能带之间带隙优化对系统对称性要求不同,频率越高处的带隙优化要求系统对称性越低. 关键词： 光子晶体 带隙 配置 对称性     

大带隙二维光子晶体结构的研究

针对三种常见的介质柱横截面分别为正六边形,正方形和圆形的二维光子晶体,提出了一种增大光子带隙的方法.直角坐标系下,使X方向长度增大p倍,并以原点为中心旋转角度φ,通过调整p和φ来降低结构对称性,使用平面波展开法,对其进行了大量的仿真分析.结果表明,结构改变后的光子晶体具有较大的带隙率.对于三种介质柱的三角晶格结构的光子晶体,最大带隙率能达到12％以上,尤其对于正方柱三角晶格光子晶体,最大带隙率达到15.1％.     

旋转对二维正方晶格介质柱内空结构光子晶体禁带的影响

采用平面波展开的方法计算了三种旋转操作下二维正方晶格各向异性材料(Te)介质柱内空结构光子晶体TE,TM模式能带.讨论了三种旋转操作对TE,TM模式带隙及完全光子禁带的影响.发现TM模式高频带隙与结构的旋转对称性有着密切的关系.而TE模式的带隙不仅受到晶体旋转对称性的影响同时也受到介质在x-y平面分布情况的影响.     

量子受限效应和对称性效应对硅光子晶体禁带的影响

光子晶体不仅可以用来调控自发辐射, 还可以用来控制光的传输和局域. 采用平面波展开法进行模拟计算, 分析硅背景下的二维正方、三角晶格光子晶体散射基元的形状和空间取向对光子禁带的影响. 计算结果表明: 对称性和量子受限效应之间的竞争是导致光子晶体禁带宽度发生变化的原因.     

准完全带隙胶体非晶光子晶体

三维面心立方结构的固有的高对称性使其只具备非完全光子带隙,而非晶结构可降低对称性导致准完全光子带隙的出现.实验结果表明非晶胶状晶体具有准完全光子带隙.非晶胶状光子晶体中的光子带隙的禁带宽度与波长均不随光入射到样品池的角度的变化而明显变化.其禁带宽度比SiO₂小球面心单晶的禁带宽度宽得多 关键词： 光子带隙 非晶 光谱     

二维棋盘格子复式晶格的完全光子带隙研究

设计了一种棋盘格子复式晶格的二维光子晶体：在二维正方形格子中，把截面为正方形的柱子旋转45°，同时在每个原胞中心引入一个圆形截面的柱子构成的光子晶体结构. 用平面波展开计算棋盘格子复式晶格的完全光子带隙，结果表明：棋盘格子复式晶格的完全光子带隙的Δω/ω比值几乎是普通棋盘格子的5倍，完全光子带隙的个数也增加. 与其他复式结构相比较，发现其最佳的Δω/ω比值是一类粗锐复合结构光子晶体的2.1倍. 关键词： 二维光子晶体 复式晶格 完全光子带隙     

二维电介质光子晶体中量子自旋与谷霍尔效应共存的研究

基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性,对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用.本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体,实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存.首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张,打开了布里渊区Γ点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙,实现量子自旋霍尔效应.经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构,之后在Kagome晶格中加入正负扰动,打破光子晶体的空间反演对称性,导致布里渊区的非等价谷K和K′的简并点打开并出现完整带隙,实现了量子谷霍尔效应.数值计算结果表明,由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态.最后,设计了基于两种效应共存的四通道系统,此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法,为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.     

二维斜三角晶格光子晶体完全带隙研究

在二维正三角晶格光子晶体的基础上,通过改变晶体的晶格基矢构造了一种全新的周期结构。该周期结构的最小周期单元不再是传统意义上的等边三角形,而是一种更为优化的斜三角形结构。利用平面波展开法理论模拟了二维斜三角晶格光子晶体完全带隙的情况,发现所设计结构的完全带隙宽度是二维正三角晶格光子晶体完全带隙宽度的4.3 2倍。分析了介质柱宽度,介质柱旋转角度以及相对介电常数对所构造结构的完全带隙的影响,所得结果对二维光子晶体的理论研究和实际应用有所帮助。为任意角度的二维光子晶体集成波导的研究和制作提供了理论基础。     

Larger absolute photonic band gap in two-dimensional air–silicon structures

We investigate different aspects of the absolute photonic band gap (PBG) formation for two-dimensional photonic crystals, consisting of air rods drilled into silicon. Specifically, square lattices of square and circular rods are considered. The lattice symmetry, shape and orientation of the rods affect the photonic gap parameters. A symmetry reduction by addition of a smaller different shaped rod into the center of the lattice unit cell can produce significantly larger band gap. Combining the symmetry reduction and rotation of the noncircular rods yields the greatest improvements in the size of absolute band gap. We discuss the maximization of the absolute PBG width as a function of lattice parameters and the practical fabrication feasibility of these optimized structures.     

六角形散射子光子晶体的界面态

研究采用平面波展开加超元胞方法计算了正方格子六角形空气散射子二维光子晶体镜面对称异质结的界面态.经过研究发现,这种异质结界面态可以通过相对于界面横向拉开或者纵向错开而产生,并且调节到绝对带隙中成为传导模.界面态的个数和变化规律在很大程度上依赖于光子晶体异质结构的几何和物理参量.通过对比我们发现：与圆柱形散射子相比,在六角形散射子异质结中更易于产生传导模,但是比四方柱形散射子的情况要困难.     

电磁波在周期介质中的传播及二维光子晶体的光子带结构

光子晶体是光学与凝聚态物理交叉的新领域,也是近年来应用物理学的一个重要研究领域,它是一种由介电常数高的(低的)介质在另一种介电常数低的(高的)背景介质中周期排列所组成的人造多维周期结构材料,能够产生光子带隙。频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播,因而具有能够抑制原子、分子的自发辐射等诱人的光电子学特性,在基础研究和实际应用上都有着巨大的潜力。本文在这一领域里进行了富有成效的研究,获得了很好的结果。主要有:(1)利用平面波展开方法来计算二维光子晶体的带隙结构。首先,我们设计正方晶胞的二维光子晶体模型。设x₃方向为介质柱的轴方向,二维周期结构在x₁-x₂平面上。晶胞的晶格常数为a,半径为r,介质柱和空气柱的介电常数分别为ε_a=17和ε_b=1,a>2r。设计的核心思想是通过降低光子晶体结构的对称性,消除光子能带在晶体的布里渊区高对称点上的本征简并。(2)对于二维光子晶体的电磁波理论及周期介质中的Bloch波解做了详细的推导,给出了光子晶体中禁带存在的理论依据。同时以正方格子晶格的二维光子晶体为例,验证了电介质在空气圆孔中的排列存在E偏振和H偏振的光子带隙重叠区,称为绝对光子带隙。对于二维的光子晶体,两种本征偏振模式的光子能带结构可以独立地调节,以实现两者的光子带隙的最优重叠, 从而大大提高了二维光子晶体的完全带隙宽度。     

Photonic band structures of two-dimensional photonic crystals with deformed lattices

Using the plane-wave expansion method, we have calculated and analysed the changes of photonic band structures arising from two kinds of deformed lattices, including the stretching and shrinking of lattices. The square lattice with square air holes and the triangular lattice with circular air holes are both studied. Calculated results show that the change of lattice size in some special ranges can enlarge the band gap, which depends strongly on the filling factor of air holes in photonic crystals; and besides, the asymmetric band edges will appear with the broken symmetry of lattices.     

大带隙二维三角格子光子晶体结构参数的优化设计

光子晶体结构设计优化是理论研究的一个重要内容.运用平面波展开法对圆柱、方柱及正六边柱构造的二维三角格子光子晶体的禁带进行仿真计算,讨论了介质材料分别为GaAs、Si和Ge情况下,柱子形状、旋转角度、填充比的变化对完全光子禁带的影响.发现:对于二维三角格子光子晶体,相对于介质柱,空气柱更易获得完全光子禁带;而相对于圆柱及...     

不同晶格光子晶体异质结的界面传导模

利用平面波展开方法与超原胞方法研究了两种不同晶格的光子晶体异质结的界面态. 这两种异质结都是在纯电介质背景上放置空气散射子. 一种异质结由正方形格子上放置正方形散射子和三角形格子上放置六角形散射子组成（SSTH异质结）. 另一种由长方格子上放置长方形散射子和三角形格子上放置圆形散射子组成（RRTC异质结）. 对于SSTH异质结，当沿着界面作晶格的横向拉开或者侧向滑移，都可产生界面态. 而对于RRTC异质结，无需从界面做晶格拉开或者侧向滑移就可产生界面传导模，这个结果有别于其他纯电介质光子晶体异质结的性质. 关键词： 光子晶体 异质结 传导模 超原胞     

Vector valley Hall edge solitons in the photonic lattice with type-II Dirac cones

Topological edge solitons represent a significant research topic in the nonlinear topological photonics. They maintain their profiles during propagation, due to the joint action of lattice potential and nonlinearity, and at the same time are immune to defects or disorders, thanks to the topological protection. In the past few years topological edge solitons were reported in systems composed of helical waveguide arrays, in which the time-reversal symmetry is effectively broken. Very recently, topological valley Hall edge solitons have been demonstrated in straight waveguide arrays with the time-reversal symmetry preserved. However, these were scalar solitary structures. Here, for the first time, we report vector valley Hall edge solitons in straight waveguide arrays arranged according to the photonic lattice with innate type-II Dirac cones, which is different from the traditional photonic lattices with type-I Dirac cones such as honeycomb lattice. This comes about because the valley Hall edge state can possess both negative and positive dispersions, which allows the mixing of two different edge states into a vector soliton. Our results not only provide a novel avenue for manipulating topological edge states in the nonlinear regime, but also enlighten relevant research based on the lattices with type-II Dirac cones.     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

Photonic band structure of three-dimensional colloidal crystals with field-induced lattice structure transformation

By utilizing the electrorheological effect, three-dimensional colloidal crystals can be produced, whose lattice structure can be changed from the body-centered-tetragonal lattice to other lattices under the application of electric fields. This paper calculates photonic band structures of such crystals with lattice structure transformation, and demonstrates the existence of complete band gaps for some intermediate lattices. Thus, it becomes possible to use the electrorheological effect to achieve photonic crystals with desired photonic gap properties resulting from tunable structures.