蜂巢晶格光子晶体能带特性的研究

运用时域有限差分法数值模拟了蜂巢晶格光子晶体能带特性,得到了蜂巢晶格光子晶体的最大横电(TE)模、横磁(TM)模和完全带隙,研究结果为光子晶体器件的开发提供了理论依据.     

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     

二维光子晶体禁带特性研究

采用平面波展开法对二维光子晶体分别在E和H极化下的带隙进行了计算. 考虑了填充比、晶格结构、介电常数对最大绝对帯隙的影响. 结果表明,不论是正方晶格还是三角晶格,TM模在介质柱型光子晶体中更容易形成带隙;TE模在空气孔型光子晶体中更容易形成带隙. 填充比一定,最大绝对帯隙宽度并非随着介电常数增大总是增大,而是存在一个峰值. 相对介电常数一定,最大绝对帯隙宽度随填充比的变化也存在一个峰值. 不论空气孔型还是介质柱型结构,三角晶格比正方晶格更容易形成帯隙. 关键词： 平面波展开法 TE模 TM模 最大绝对帯隙     

Ge基二维正方晶格光子晶体带隙优化设计

采用平面波展开法模拟二维光子晶体在E极化和H极化下的能带结构,研究Ge基二维正方晶格光子晶体的填充比以及晶格排列结构对最大禁带宽度的影响。结果表明：在空气背景材料中填充Ge柱的介质柱结构中,可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.19~0.47范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.064（归一化频率）;在选取Ge为背景材料的空气孔型结构中,同样可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.46~0.49范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.051（归一化频率）。同时,不论在介质柱型还是空气孔型结构中,带隙宽度都随着r/a的增大呈先增大后减小的趋势。     

填充比和格点方向对二维三角晶格光子晶体带隙的影响

采用有限元法,计算了二维三角晶格椭圆形格点空气孔型光子晶体的TE、TM模式的带隙结构。通过对椭圆形空气孔格点的大小、方向进行改变,研究了填充比、格点方向对带隙的影响。计算结果表明,在空气孔型光子晶体中TE模式更容易形成带隙;不同填充比情况下,格点方向对TE模式和TM模的带隙变化都具有不同影响;不论格点方向如何变化,均未出现完全带隙。     

六角格子光子晶体带隙特性

应用平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟空气圆柱半径与晶格常数的比值变化时,TE模和TM模禁带特性,得出六角晶格光子晶体具有较大的TE模和TM模光子禁带带隙,并且具有较高的带隙宽度重合范围。结果为光子晶体器件的制作提供理论依据。     

基于晶格效应的光子晶体带隙特性研究

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类,利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构,讨论归一化半径对其带隙的影响,比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明:单胞含多个"原子"的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙,还容易产生TE模和TM模的完全带隙,进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值,(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.     

Suzuki晶格光子晶体的光子带结构

系统地研究了Suzuki晶格光子晶体能带结构,包括介质中周期排列的空气孔光子晶体和空气中周期排列的介质柱光子晶体。采用平面波展开法计算了空气孔和介质柱半径及折射率对光子带隙的影响。结果发现介质中周期排列的空气孔光子晶体主要形成TM模光子禁带,空气中周期排列的介质柱光子晶体主要形成TE模光子禁带,只有介质折射率较大时两类光子晶体才能够形成完全带隙。介质中周期排列的空气孔光子晶体能带结构中沿Г-X1和X1-M方向出现了群速度接近于零的色散曲线,而在另一类光子晶体中并未出现这种情况,在其它晶格类型的光子晶体中也未发现这种情况。     

二维复式晶格完全带隙光子晶体缺陷频率的分析

提出了一种具有完全带隙的二维复式晶格光子晶体,该晶体是在二维正方形格子中,旋转截面为正方形的柱子,同时在每个原胞中心引入圆形截面的柱子而形成的,并在其中引入点缺陷。运用平面波展开法并结合超晶胞理论分析此缺陷态光子晶体的频率特性。仿真结果表明,通过调节缺陷的尺寸、角度等结构参量,可以改变缺陷态频率的位置,使TE和TM模缺陷态频率一致,TE模和TM模同时谐振,处于缺陷态频率的入射光就能够完全耦合进点缺陷,具有较高的耦合效率。这种结构的复式晶格完全带隙光子晶体为制作完全带隙光子晶体谐振腔提供了理论基础。     

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.     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

Electronic structure and optic absorption of phosphorene under strain

We studied the electronic structure and optic absorption of phosphorene (monolayer of black phosphorus) under strain. Strain was found to be a powerful tool for the band structure engineering. The in-plane strain in armchair or zigzag direction changes the effective mass components along both directions, while the vertical strain only has significant effect on the effective mass in the armchair direction. The band gap is narrowed by compressive in-plane strain and tensile vertical strain. Under certain strain configurations, the gap is closed and the energy band evolves to the semi-Dirac type: the dispersion is linear in the armchair direction and is gapless quadratic in the zigzag direction. The band-edge optic absorption is completely polarized along the armchair direction, and the polarization rate is reduced when the photon energy increases. Strain not only changes the absorption edge (the smallest photon energy for electron transition), but also the absorption polarization.     

Effective dielectric constant of two-dimensional photonic crystals in optical bands

By using the Fourier expansion method, we have developed an approach to calculate the effective dielectric index of a two-dimensional photonic crystal. The approach is very general: it can take into account various Bravais lattice structure as well as arbitrary spatial variation of the dielectric index. It has been found that near a nondegenerate frequency ω_n(Γ) at Γ point, the transverse magnetic (TM) mode is ordinary, as it is independent of the propagation direction, whereas in general the transverse electric (TE) mode depends on the propagation direction, it is extraordinary. Therefore, a two-dimensional photonic crystal can always be described by an effective dielectric index for TM mode near the nondegenerate frequency ω_n(Γ). However, the TE mode is much more complicated unless the lattice structure is highly symmetric. Moreover, a two-dimensional square photonic crystal has been identified as an effective birefringent crystal having two negative refractive indexes from the perspective of Snell's law.     

二维正方晶格光子晶体禁带特性

基于平面波展开法,以碳化硅构成二维正方晶格光子晶体,数值模拟了TE模、TM模二维光子晶体的禁带特性,结果表明,TE模更容易形成光子禁带。同时设计了以碳化硅构成二维正方晶格光子晶体波导,数值模拟了TE模、TM模波导的传输特性和禁带特性,结果表明,TE模构成的波导电磁波能够较好的传播,它们的光子禁带都没有出现。研究结论为光子晶体波导器件的开发提供参考。     

Superbending effect in two-dimensional graded photonic crystals

We study the superbending effect in a two-dimensional graded photonic crystal (GPC) for both TE and TM modes. We show that the lateral beam shift is extremely sensitive to the wavelength for the TM mode but not TE mode, indicating the potential in designing some special superbending devices, for example, TE/TM splitter and polarization-indifference waveguide at prescribed wavelengths.