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。     

二维金属光子晶体的带结构研究

采用一种新的平面波展开法研究金属光子晶体的带结构，即在传统平面波展开法的基础上，将“原问题”拓展，引入一个“新问题”，通过求解“新问题”得到“原问题”的带结构，并论证了它们之间的关系.为了准确求解“新问题”，引入辅助函数，将其色散关系等价为一个积分微分本征方程，求解这个本征方程得到“新问题”的带结构，从而由此导出“原问题”的带结构.最后，以正方晶格二维金属光子晶体为例，进行数值计算，得到了满意的结果. 关键词： 金属光子晶体 平面波展开法 带结构 正方晶格     

二维光子晶体的完全带隙

为了研究二维光子晶体完全带隙的规律,采用平面波展开法模拟了4种结构二维光子晶体,在固定光子晶体周期常数a的情况下,研究完全带隙随柱半径r的变化规律.研究发现,六角晶格空气孔型光子晶体的完全带隙出现在r=0.42～0.50μm的范围,最大带隙宽度△ω1=0.08(ωa/2πc);方形晶格空气柱型光子晶体在r=0.47～0...     

空气环型二维光子晶体完全带隙特性研究

采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙. 关键词： 空气环型二维光子晶体 完全带隙 平面波展开法     

在高频区存在巨带隙的长方晶格二维光子晶体

本文利用降低光子晶体的对称性来提高绝对禁带宽度, 提出两种长方结构长方介质柱二维光子晶体, 用快速平面波展开法研究其高频区的带结构.经参数优化发现, 长方晶格包含一套介质柱时, 最大绝对禁带宽度Δω为0.1265ωe（ωe=2πc/a, a为晶格常数, c为光速）, 绝对禁带中心频率ωmid为1.9256ωe, Δω/ωmid=6.6%; 当长方晶格包含两套介质柱时, 最大绝对禁带宽度为0.203ωe, 绝对禁带中心频率为1.8597ωe, Δω/ωmid=10.9%.     

基于空气环结构的大带隙二维光子晶体的设计

用平面波展开法研究了内介质柱截面为长方形的三角晶格空气环型光子晶体的完全带隙特性。通过调节内介质柱的大小、介电常数、旋转角度以及空气环外半径对完全带隙的影响,找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数。经优化后得到禁带宽度Δω=0.082(2πca-1)(其中a为晶格常数,c为光速),中心频率ω0=0.401(2πca-1),完全带隙宽度与中心频率的比值达到了20.4%,该结果比圆形内介质柱截面空气环结构的完全带隙大,比普通的空气孔结构的完全带隙增大了37%。     

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.     

光子晶体带隙和缺陷的特性

基于平面波展开法,以介电常数分别为1F/m和13F/m的物质构成三角晶格二维光子晶体,改变空气孔半径r与晶格常数a之间的大小,数值模拟得到r=0.48a时形成最大完全带隙0.4298-0.5192Hz.移去中心圆柱形成缺陷,数值模拟得到不能形成完全带隙结构,研究结论为光子晶体器件的制作提供参考.     

不同结构光子晶体的带隙特性

基于平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟了横磁波和横电波在三角晶格和正方晶格构成的二维光子晶体中的带隙特性,得到了三角晶格较正方晶格更容易出现带隙,且三角晶格的横电波光子带隙较大.实验结果为光子晶体器件的设计提供理论依据.     

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.     

二维Kagome格子光子晶体禁带的数值模拟

采用平面波展开法模拟计算了由空气背景中的介质柱构成的二维Kagome格子光子晶体的能带结构,得到了使完全光子禁带最大化的结构参量.计算结果表明:由圆形、正六边形和正四边形三种不同形状锗介质柱构成的Kagome格子光子晶体都出现了完全光子禁带,最大禁带分别为Δ=0.014(ωa/2πc)、Δ=0.013(ωa/2πc)、Δ=0.011(ωa/2πc)发现由圆形和正六边形两种介质柱构成的Kagome格子光子晶体在填充比连续变化的较大的范围内都有宽度较为稳定的完全禁带,且它们具有非常相似的能带结构.     

基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究

采用平面波展开法研究了四种二维光子晶体结构(圆柱介质柱四方晶格、圆柱介质柱三角晶格、正方介质柱四方晶格、正方介质柱三角晶格)的带隙宽度随介质柱尺寸变化的关系.使用平面波展开法计算常规晶格和表面缺陷晶格的模式并进行结果叠加,研究了各结构的二维光子晶体在带隙宽度最大时的表面模式.结果表明,同种晶格的光子晶体带隙宽度随着介质柱的尺寸增大呈先增后减趋势,存在最大值.随着表面介质柱尺寸的增加,四种晶格表面模式曲线均呈下降趋势.四方晶格光子晶体与三角晶格相比,表面介质柱尺寸的变化范围更大,但能获取表面模式频率范围较小.     

基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究

采用平面波展开法研究了四种二维光子晶体结构(圆柱介质柱四方晶格、圆柱介质柱三角晶格、正方介质柱四方晶格、正方介质柱三角晶格)的带隙宽度随介质柱尺寸变化的关系.使用平面波展开法计算常规晶格和表面缺陷晶格的模式并进行结果叠加,研究了各结构的二维光子晶体在带隙宽度最大时的表面模式.结果表明,同种晶格的光子晶体带隙宽度随着介质柱的尺寸增大呈先增后减趋势,存在最大值.随着表面介质柱尺寸的增加,四种晶格表面模式曲线均呈下降趋势.四方晶格光子晶体与三角晶格相比,表面介质柱尺寸的变化范围更大,但能获取表面模式频率范围较小.     

二维光子晶体层状超晶格透射特性研究

把平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM)用于数值研究圆柱柱体粗细及折射率层状间隔构成的二维光子晶体超晶格的传输特性.数值结果表明,层状超晶格的透射谱中禁带宽度在柱体折射率相同时与粗细柱体半径差异成线性关系,半径相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.在半径相同时禁带宽度与层间折射率差异同样成线性关系,折射率相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.因此人们可以根据实际应用中的禁带需要利用上述各种可调因素进行调节.     

一种衍生于三角晶格的二维光子晶体

通过在二维三角晶格中引入三个完全相同的介质圆柱构成了一种全新结构的光子晶体,并对其光子能带进行了频域计算.借助数值方法分析了填充率对光子能带的影响,结果表明,在一定填充率下,这种二维光子晶体对于E偏振和H偏振都存在很宽的带隙,而且还可以获得一个窄完全带隙.     

Comparison of photonic bandgaps of two-dimensional periodic and quasi-periodic photonic crystals with different relative permittivity dielectric

Photonic bandgaps (PBGs) of two-dimensional (2D) triangular-lattice and square-lattice and decagonal quasi-periodic photonic crystals (PCs) have been analyzed, with a given scatterer radius and dielectric relative permittivity changing from 1 to 30 within air-cylinders-in-dielectric and dielectric-cylinders-in-air constructions. The results have shown that 2D quasi-periodic PC is more likely to generate PBG and complete PBG than 2D periodic PC. For the given scatterer radius and two constructions, PBG widths of the two types of 2D PCs vary little, whereas the corresponding center frequencies decrease in smooth “hyperbola-like” curves with dielectric relative permittivity increasing monotonically. The present results will guide the design of PBG-type microstructure photonic devices.     

Intersecting veins effects of a two-dimensional photonic crystal with a large two-dimensional complete bandgap

Optimal design of a two-dimensional photonic crystal with a square lattice of dielectric rods with intersecting veins in GaAs is investigated numerically using plane wave expansion method. It is shown how a maximum complete two-dimensional bandgap is obtained by optimally connecting the dielectric rods with intersecting veins. The complete two-dimensional photonic bandgap (PBG) of our optimal design reaches Δω = 0.10664(2πc/a) (where a is the lattice constant and c is the speed of light in vacuum) when the radius of dielectric rod is 280.1 nm and the half-vein width is 60 nm. Our result shows 40% the width of PBG higher than that obtained from Ref. [M. Qiu, S. He, J. Opt. Soc. Am. B 17 (2000) 1027] (Δω = 0.0762(2πc/a)). In addition, we found that the complete bandgap can be obtained in a large range of radius R of dielectric rod when the half width of intersecting veins d is larger than 65 nm.     

二维介质柱型Archimedes(4,8~2)复式晶格光子晶体禁带特性研究

采用平面波展开法分别模拟了空气背景下由介质圆柱和方柱构造的二维Archimedes(4,82)复式晶格光子晶体的能带结构,讨论了介质柱形状、折射率、填充比和旋转对称性等因素对完全光子禁带的影响.研究发现,当折射率在2.60到5.40之间时,介质圆柱和方柱构造的二维Archimedes(4,82)复式晶格光子晶体都出现了完全光子禁带.随着折射率的增大,最大完全禁带宽度并非随之增大而是存在峰值,介质圆柱型晶格在折射率为2.80时出现峰值;介质方柱型晶格在折射率为2.80和4.40两处出现峰值,且旋转介质方柱能够明显增大禁带宽度,同时存在最佳旋转角度.分析结果表明,在最大完全禁带处,折射率、填充比以及旋转角度等因素的变化对禁带特性的影响很小.     

光子带隙光纤的可调谐泄漏损耗特性的研究

通过向折射率引导型光子晶体光纤的空气孔中填充可调的高折射率的材料可以获得带隙可调的光子带隙光纤.本文采用矢量平面波展开法与矢量有限元法对可调光子带隙光纤的泄漏损耗特性进行了理论研究.研究表明，这种可调光子带隙光纤的光子带隙效应使其泄漏损耗与填充材料的折射率有很强的依赖关系，同时给出了光子带隙光纤的泄漏损耗和群速度色散与归一化波长的关系.