应变对二维蜂巢晶格光子晶体能带结构的影响

基于平面波法,本论文对应变引起的二维蜂巢晶格光子晶体的能带结构进行了数值计算。选取的两个方向分别是锯齿型边界(zigzag)方向和扶手椅型边界(armchair)方向,在这两个典型方向上对二维蜂巢晶格进行了正负各20%的单轴应变。由于应变导致的对称性破缺,能带结构会有显著的变化。在沿锯齿型边界方向上,TE模带隙随着晶格被拉伸逐渐减小,TM模带隙在应变量大于16%时消失。对于沿扶手椅型边界方向,TE模带隙在压缩15%以上时逐渐减小,在其他应变量的情况下几乎保持不变;TM模带隙在应变量大于18%时消失。这些结果对于完善应力工程和设计二维光子晶体器件有重要的指导意义。     

一维光子晶体色散特性的研究

应用传输矩阵法研究一维光子晶体的色散特性,数值模拟得到了一维光子晶体横电(TE)模、横磁(TM)模的色散特性,研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据.     

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.     

结构参数对聚苯乙烯光子晶体能带结构的影响

本文讨论了平板式光子晶体能带结构的计算方法,并利用平面波展开法研究了聚苯乙烯材料制作的平板式光子晶体的能带结构与晶格类型、填充比两个主要结构参数之间的关系.计算给出了晶格类型及填充比发生变化时光子禁带的变化规律.研究发现,当填充比(r/a)介于0.1～0.5之间时,四边形晶格结构和六角形晶格结构奇模和偶模均存在光子带隙,蜂窝状晶格只有偶模存在光子带隙,而且只有当填充比r/a＞0.46时才出现光子带隙.本文所得结果对聚苯乙烯光子晶体的制作和进一步应用研究奠定了理论依据.     

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。     

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.     

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。     

金属光子晶体禁带研究

通过数值方法计算了铜(Cu),银(Ag)，金(Au)，铝(Al)四种金属构成的光子晶体的禁带，给出了禁带与金属填充率f的关系曲线,对比了几种金属光子晶体禁带的差异.计算针对TM模的情况，取光子晶体的晶格常量a=0.775 μm.     

蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器

设计、制作了蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器结构,并测量其光学性质,探讨了光子晶体的晶格常数、边界形状及晶格种类对激光器特性的影响。激光器结构采用有机金属化学气相沉积法配合电子束光刻及感应耦合等离子体干蚀刻等技术制作。由角度解析光致发光系统测得绕射图案、激光发射光谱及发散角等光学性质。同时,使用平面波展开法及多重散射法计算光子晶体的能带结构与阈值增益。由实验结果得出,可由改变光子晶体的晶格常数达到调变激光器操作模态的目的。此外,光子晶体的边界形状对激光器波长及半高宽并无显著的影响,但圆形边界的阈值激发能量密度比六角形边界低0.3 mJ/cm²。另一方面,将六角晶格、四角晶格与蜂巢晶格的晶格种类进行比较,蜂巢晶格具有较小的激发能量密度（1.6 mJ/cm²）及发散角（1.3°）,而四角晶格的激发能量密度（3.8 mJ/cm²）及发散角（2.2°）为三者之中最大。多重散射法求得的阈值增益与实验结果相吻合,可视为快速有效设计光子晶体激光器结构的工具。本文研究成果对今后发展高功率蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器具有指导意义。     

不同晶格常数光子晶体构成的光量子阱中的共振模

用基于平面波的传输矩阵法分析由具有不同晶格常数的光子晶体材料构成的光量子阱结构中的共振模，发现湮没于垒层的阱层能带分离成共振模，且共振模的数目随阱层的厚度变化而改变。提出一种新型的非对称量子阱结构模型，由2块晶格常数不同的光子晶体材料和夹在光子晶体材料中间作为阱层的均匀介电材料构成，并对其中的共振模进行了分析。指出当阱层厚度达到构成垒层的光子晶体晶格常数的一半时出现一个共振模，若继续小量增加阱层厚度将使共振模频率出现红移。最后给出一种基于平面波的传输矩阵法，且对于不同晶格常数的光子晶体量子阱结构均有效的数值模拟方法，可用于研究由三维光子晶体材料或者色散材料组成的光子晶体量子阱结构。     

Enlargement of complete two-dimensional band gap by using photonic crystal heterostructure

A two-dimensional photonic crystal heterostructure, which consists of two photonic crystals of a square lattice of circular columns with reverse dielectric configurations, is proposed. Photonic band gap properties are calculated using a plane-wave method and the transmission spectra are obtained. After optimization, the relative width of the complete band gap reached 13.8% based on the simple unit-cell shape and crystal lattice. The photonic crystal heterostructure opens up new ways of engineering photonic band gap materials and designing photonic crystal devices.     

一维光子晶体禁带特性的研究

应用传输矩阵法研究了一维光子晶体的禁带特性,数值模拟得到了一维光子晶体TE模、TM模和TE/TM模禁带结构,计算结果表明,介质层的厚度发生变化时,禁带宽度发生变化。研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

光子晶体能态密度的电磁场特性

基于时域有限差分法,以半导体材料CdSe和CdTe构成二维三角晶格光子晶体,数值模拟了它们的光子晶体能态密度电磁场特性。结果表明,CdSe和CdTe构成二维三角晶格光子晶体具有较好的光子带隙,形成的带隙宽度随介电常数差值的增大而增大。研究结果为光子晶体器件的开发提供参考。     

Research of band gap properties based on two-dimensional photonic crystal with mixed shapes of rods

Two new structures of photonic crystals were designed. The band gap properties of photonic crystals with square and circular dielectric rods mixed arrangement are researched. The band gap properties of mixed shapes rods photonic crystal are calculated and compared with the crystals with square rods or round rods by using plane wave expansion method. Simulation results show that for the square lattice, mixed shapes of rods make the higher-order bands of TM modes moving toward the low frequency range. The gap bands’ widths and locations are between the parameters of square and round rods photonic crystal. In triangle lattice, a significant band gap is presented in photonic crystal with mixed shapes of rods in TE mode, while it is almost not presented in square and round rods crystals. The phenomenon of bands moving toward the low frequency range is also found in the triangle lattice mixed shapes rods photonic crystal. The reasons of the results in the vision were analyzed.     

三角晶格二维光子晶体的横磁模特性

基于平面波展开法,以介电常数分别为1F/m和12F/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,数值模拟得到了三角晶格二维光子晶体横磁模带隙,当r=.4α时形成三处三角晶格二维光子晶体横磁模的带隙,其中最大三角晶格二维光子晶体横磁模带隙出现在0.6766—0.8000Hz,差值为0.1234Hz。研究结论为光子晶体器件的制作提供参考。     

Analysis of two-dimensional photonic band gap structure with a rhombus lattice

The relative band gap for a rhombus lattice photonic crystal is studied by plane wave expansion method and high frequency structure simulator (HFSS) simulation. General wave vectors in the first Briliouin zone are derived. The relative band gap as a function of air-filling factor and background material is investigated, respectively, and the nature of photonic band gap for different lattice angles is analyzed by the distribution of electric energy. These results would provide theoretical instruction for designing optical integrated devices using photonic crystal with a rhombus lattice.     

二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算

二维单斜点阵光子晶体在光学聚焦器件及光子晶体波导中有重要的应用价值，详细讨论了二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算，并与常规方法计算得出的二维正三角形晶格光子晶体的带隙结构进行了比较.最后讨论了临界条件下二维单斜点阵光子晶体的带隙结构，证明了本方法的有效性.     

高频区具有大带隙的二维像素型光子晶体结构

针对方块像素组成的二维光子晶体，传统平面波展开法可经修正使之收敛速度大大提高。采用快速算法，在高频区域找到了一种具有稳定的较大绝对禁带宽度的GaAs光子晶体结构，绝对禁带宽度为0．0995ωc(ωc-2π／α，α为晶格常量，c为光速)，中心频率为1．2625ω。     

Polaritonic and photonic gap interactions in a two-dimensional photonic crystal

If an ionic material is used in a photonic crystal, the lattice resonance creates a polaritonic gap in the infrared range. The interaction between a polaritonic gap and the structure gap in a 2D square photonic crystal is studied by transfer matrix photonic band structure calculations. The polaritonic gap appears for a surprisingly low volume density of the ionic material. The TM gaps are larger than the TE gaps, as in the dielectric case. By varying the lattice constant, the structure gaps can be shifted across the polaritonic gap, and the effects of merging the two gaps can be studied.