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.     

基于六角结构二维光子晶体绝对带隙的优化设计研究

根据平面波展开法对二维光子晶体的能带结构进行计算，采用栅格结构连接电介质圆柱体对六角结构的二维光子晶体进行了优化. 通过计算栅格宽度和圆柱体半径对绝对带隙的影响，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.优化后的光子晶体的大带隙对光子晶体制造工艺中介质圆柱体半径的偏离具有很好的稳定性，因此该结构的二维光子晶体具有很高的实用性. 关键词： 光子晶体 绝对带隙 六角结构     

有限开敞介质光子晶体的模式及其带结构分析

针对光子晶体在行波管中的应用,对有限开敞介质光子晶体的模式和带结构进行了分析和计算. 分析表明,有限开敞介质光子晶体中所能存在的模式包括EH和HE混合模式,如果是二维光子晶体,还存在E模式,E₁模式即为无限光子晶体中的E极化. 计算表明,被用作行波管慢波电路的光子晶体可以不必拥有完全带隙,而只需要具有带间隙即可. 关键词： 光子晶体 本征值方程 行波管 带结构     

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     

基于光子晶体的双波长太赫兹波功分器研究

太赫兹波技术和光子晶体技术相结合为设计太赫兹波功能器件提供了新的思路和方法.本文提出了一种基于二维光子晶体的双波长太赫兹波功分器.在光子晶体中引入由三个相互平行的单模波导形成的定向耦合型分束器和Y型结构的1×2型分束器,同时,在Y型结构的分支处分别引入两个介质柱.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射波频率下,耦合波导的耦合长度,并采用时域有限差分法对功分器的传输特性进行了模拟仿真分析.结果表明,在频率f1=1.0THz时,实现了端口1和端口2的能量均分输出;在频率f2=0.893THz时,通过非对称改变两个介质柱的折射率,可以实现端口3和端口4输出能量的自由分配.     

基于等效介质二维光子晶体平面波展开法的理论研究

应用等效介质理论,提出了一种计算二维光子晶体的新平面波展开法,数值模拟了圆介质柱在空气中正方排列结构的能带,模拟结果与常规的平面波计算结果符合的很好.     

二维光子晶体能带结构温度特性研究

采用有限元法对二维光子晶体的能带特性进行了分析.当光子晶体所受的温度发生变化时,由于构成二维光子晶体介质的热光效应,引起介质的折射率变化,介质的热膨胀效应引起介质厚度发生变化,改变了光子晶体的晶格周期,使得光子晶体的能带结构发生变化.分析了温度变化对二维光子晶体的第一禁带和第二禁带结构特性的影响,各禁带的起始波长、截止...     

基于Sierpinski地毯结构的类分形光子晶体特性研究

将谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯结构引入二维光子晶体,设计了一种具有规则分形结构特征的光子晶体-Sierpinski类分形光子晶体.采用时域有限差分法仿真分析了空气背景介质柱和介质背景空气孔结构Sierpinski类分形光子晶体的透射谱.结果表明,只有当TM波入射空气背景介质柱结构时,Sierpinski类分形...     

光子晶体定向耦合三波长功分器

以二维三角晶格光子晶体为研究对象,在该光子晶体中引入两行以一行耦合介质柱为间距的平行单模线缺陷波导.通过分析和研究光子晶体波导耦合结构的耦合和解耦合特性,发现在不同频率下耦合波导的耦合长度不同.利用平面波展开法和定向耦合原理计算了在不同入射光频率下,缺陷波导间耦合波导的耦合长度,设计了一种新型超微光子晶体波导耦合型三波长功分器,实现了归一化频率分别为0.369、0.394、0.435的光波的分束效果.采用时域有限差分法验证了该功分器具有很好的功率分配效果.本文结果有助于光子晶体新型滤波器、定向耦合器、波分复用器、偏振光分束器以及光开关等光子器件的研究.     

二维光子晶体分束器和偏转器

针对二维光子晶体在光束调整和光束偏转中的应用,采用平面波展开法、二维有限时域差分法和完全匹配层吸收边界条件,从理论上研究了二维方形光子晶体结构中TM模式的自准直现象.通过分析光子晶体的能带结构和等频图,基于二维光子晶体的自准直效应和光子带隙,对光波在二维光子晶体中的传播特性进行了讨论.数值计算表明,通过在合适的方向引入不同的线缺陷,可以实现自准直光束的1×2和1×3分束以及光束偏转.最后讨论了透射光束和偏转光束的能量随线缺陷半径的变化关系.所设计的器件极大地扩展了光子晶体在高密度光学集成电路中的应用.     

基于光子晶体波导定向耦合的光子晶体分/合频器

在完整二维光子晶体中引入线缺陷后,就形成了光子晶体波导。将时域有限差分法(FDTD)和平面波法作为光子晶体理论研究的工具。研究结果表明,光子晶体波导之间的耦合遵循普通介质波导耦合的一般规律,有定向耦合的功能;将两个具有不同耦合长度的光子晶体波导定向耦合器顺序集成在一起,可以组成一个三波长的光子晶体分/合频器。     

光子晶体波导定向耦合器

在完整二维光子晶体中引入线缺陷后，就形成了光子晶体波导；将时域有限差分方法(FDTD)用于光子晶体波导耦合研究，计算了不同耦合长度情形下的波导各个出口处的透过率，结果表明：光子晶体波导耦合遵循普通介质波导耦合的一般规律，也有定向耦合的功能。进一步的研究表明：对于不同的频率，光子晶体定向耦合器耦合系数是不同的，并且耦合系数和对应的频率之间近似直线关系。     

用时域有限差分法研究二维光子晶体传输特性

将时域有限差分方法用于光子晶体传输特性理论研究，分别计算了二维方型光子晶体TM模和TE模的透射率频率分布；根据光子晶体的标度不变性特征，在微波频段制作了光子晶体，并设计了实验装置；实验结果与计算结果一致表明：对于一定的入射方向，某些频率的光不能在光子晶体中传播。     

Holographic design of hexagonal photonic crystals of irregular columns with large full band gap

The shape and size of the dielectric columns or particles (“atoms”) of photonic crystals (PhCs) formed by holographic lithography are determined by the isointensity surfaces of the interference field; consequently the PhCs’ photonic band gap (PBG) properties are closely related to their fabrication design. Here we have proposed a new structure of two-dimensional (2-D) hexagonal lattice with irregular columns, which can yield a 2-D complete relative band gap of 24.0% in case of the dielectric columns of ε = 13.6 in air, about 27% increase compared with that of the same lattice with regular triangular columns. This band gap size is among the largest for all the possible 2-D PhCs reported until now. The relationship between band gap properties of resultant structure and the specific fabrication conditions such as structure design and the choice of optimum intensity threshold and filling ratio are systematically discussed. The optical design for making this structure by two exposures is explained. This work may demonstrate the unique feature and advantages of photonic crystals made by holographic method and provide a guideline for their design and experimental fabrication.     

Research in light transmission characteristics of 1-dimensional photonic crystal

In this paper, the principal and characteristics of one-dimensional photonic crystal are introduced, its transmission matrix is derived; and its light transmission characteristics are also analyzed through numerical calculation by means of transfer matrix method, including impacts of dielectric layer thickness, permittivity, and dielectric periodicity, etc. on light transmission characteristics of 1-D photonic crystals.     

Numerical study on characteristic of two-dimensional metal/dielectric photonic crystals

An improved plan-wave expansion method is adopted to theoretically study the photonic band diagrams of twodimensional(2D) metal/dielectric photonic crystals.Based on the photonic band structures,the dependence of flat bands and photonic bandgaps on two parameters(dielectric constant and filling factor) are investigated for two types of 2D metal/dielectric(M/D) photonic crystals,hole and cylinder photonic crystals.The simulation results show that band structures are affected greatly by these two parameters.Flat bands and bandgaps can be easily obtained by tuning these parameters and the bandgap width may reach to the maximum at certain parameters.It is worth noting that the hole-type photonic crystals show more bandgaps than the corresponding cylinder ones,and the frequency ranges of bandgaps also depend strongly on these parameters.Besides,the photonic crystals containing metallic medium can obtain more modulation of photonic bands,band gaps,and large effective refractive index,etc.than the dielectric/dielectric ones.According to the numerical results,the needs of optical devices for flat bands and bandgaps can be met by selecting the suitable geometry and material parameters.     

一维光子晶体禁带的展宽

作为一维光子晶体的应用基础，一维光子晶体的禁带是研究的重点。通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性，讨论了影响带宽的因素。说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法，提出了在角域范围内对光子晶体进行叠加的方法，为设计制造一维光子晶体提供了一种行之有效的方法。分别对2个、3个和4个晶体的叠加进行了分析，最后计算了所设计的合成晶体的反射率。其中4个晶体的叠加，相对带宽达到57．52％，极大地展宽了一维光子晶体的禁带，从而证明利用角域的叠加来展宽一维光子晶体的禁带是非常有效的。     

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...     

Photonic band gaps structure properties of two-dimensional function photonic crystals

The tunable two-dimensional photonic crystals band gap, absolute photonic band gap and semi-Dirac point are beneficial to designing the novel optical devices. In this paper, tunable photonic band gaps structure was realized by a new type two-dimensional function photonic crystals, which dielectric constants of medium columns are functions of space coordinates. However for the two-dimensional conventional photonic crystals the dielectric constant does not change with space coordinates. As the parameter adjustment, we found that the photonic band gaps structures are dielectric constant function coefficient, medium columns radius, dielectric constant function form period number and pump light intensity dependent, namely, the photonic band gaps position and width can be tuned. we also obtained absolute photonic band gaps and semi-Dirac point in the photonic band gaps structures of two-dimensional function photonic crystals. These results provide an important theoretical foundation for design novel optical devices.     

Theoretical study of relative width of photonic band gap for the 3-D dielectric structure

Calculations for the relative width (Δω/ω₀) as a function of refractive index and relative radius of the photonic band gap for the fcc closed packed 3-D dielectric microstructure are reported and comparison of experimental observations and theoretical predictions are given. This work is useful for the understanding of photonic crystals and occurrence of the photonic band gap.