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.     

二维空心介质柱型三角晶格光子晶体的完全光子禁带

利用时域有限差分方法理论研究了由介质锗柱组成的二维三角晶格光子晶体的完全光子禁带。研究表明,对于由圆形空心锗柱排列在空气中组成的三角晶格光子晶体,TM偏振和TE偏振的光子禁带存在重叠,因而具有完全禁带。当锗柱的形状为空心三角形时,可实现宽度为0.074(2πc/a)的完全带隙,该带隙宽度达到了中心频率的16.2%。     

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%。     

遗传算法优化设计三角晶格光子晶体

将遗传算法应用于三角晶格光子晶体的禁带设计过程. 考虑到可制备性，算法以第五能级下最大绝对禁带为优化目标，采用粗粒度像素表示原胞结构. 通过引入傅里叶变换数据备份机制以提高禁带计算速度和算法效率，从而快速搜索到了具有较大绝对禁带的“介质空气柱”散射体形状的三角晶格光子晶体，其最大绝对禁带的相对宽度值(绝对禁带宽度和中心高度的比值)为23.8%. 关键词： 二维光子晶体 三角晶格 光子带隙 遗传算法     

低频和高频区域内大禁带的二维各向异性光子晶体

采用一种改进的平面波展开法,运用一种有效的设计二维各向异性光子晶体的方法,在低频和高频区域内获得了具有较大禁带的两种二维光子晶体.低频区域内,找到具有最大禁带宽度的光子晶体的禁带宽度为Δω=0076(2πca),中心频率为0769(2πca)(这里的a为晶格常量).高频区域内,找到的光子晶体的最大禁带宽度为Δω=01(2πcα),中心频率为1653(2πca).同时在低频区域内,发现一种很简单的正方网格结构,它的禁带宽度为Δω=00574(2πca),禁带宽度与禁带的中心频率之比为Δωωc=11782%. 关键词： 光子晶体 平面波展开法 各向异性材料 完全禁带     

二维三角格子光子晶体的带隙结构

用平面波展开法对二维光子晶体的电磁波理论及周期排列的电介质中电磁波的Bloch波解进行了详细的推导,计算出以GaAs为背景的空气柱构成的二维三角格子光子晶体的能带结构,研究了H偏振和E偏振带隙宽度随填充比f的变化.计算结果表明,当f=0.8时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,带隙位于0.458-0.529ωe(ωe=2πc/a,a为晶格常数,c为光速),带隙宽度为0.071ωe,相应的带隙波长范围为472.6-545.9nm,处于可见光波段.     

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。     

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。     

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...     

用转移矩阵法数值研究二维正方介质柱光子晶体的传输特性

利用转移矩阵方法对二维正方介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,数值计算研究了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同时光子晶体的传输特性。数值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,正方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对光子禁带有重要影响。数值研究表明在正方介质柱下设计宽平坦光子禁带时,可以首先考虑正方晶格结构,其次设法使柱体截面尽量大一些,最后可通过柱体放置方位角来微调光子禁带的宽度与中心频率以达到设计要求。     

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...     

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。     

三角形复式晶格的光子带结构研究

设计了一种三角形复式晶格结构的光子晶体，在该类晶体中，电介质圆柱在空气中的排列存在Ｅ偏振和Ｈ偏振的光子带隙重叠区，称之为绝对光子带隙；而空气圆孔在电介质中的排列时，虽然Ｅ偏振和Ｈ偏振均分别存在光子带隙，但不存在绝对光子带隙。同时利用晶体的光子带结构研究了有效长波介电常数，所得结果与静电理论吻合。     

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.     

Absolute photonic band gaps of two-dimensional square-lattice photonic crystals with Taiji-shaped dielectric rods

A novel structure of two-dimensional (2D) square-lattice photonic crystal (SLPC) composed of Taiji-shaped dielectric rods imbedded in air is constructed and the properties of absolute photonic band gap (PBG) are theoretically analyzed in both the number and width by Plane Wave Expansion Method (PWM). By comparing the absolute PBGs in 2D SLPCs consisting of four shapes of rods with different symmetries (circle, button, semicircle and Taiji) at the same filling ratio, we find that both the number and width of absolute PBG significantly increase with the breaking of scatterer's symmetry, and the Taiji-shaped rods with the poorest symmetry can attain both the most number and the largest width of absolute PBGs. Additionally, we also study the influence of dielectric constant ε and three geometric parameters of Taiji-shaped scatterer on the absolute PBG and discover that the SLPC with Taiji-shaped rods can generate at most nine absolute PBGs and the largest absolute PBG with the width 0.0485 (ωa/2πc).     

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。     

Absolute photonic band gaps in a two-dimensional photonic crystal with hollow anisotropic rods

The plane-wave expansion method is used to calculate photonic band gaps for two structures with hollow anisotropic tellurium (Te) rods. Both structures are found to have absolute band gaps at the low- and high-frequency regions. Compared with the photonic crystal with solid Te rods, the photonic crystal with hollow Te rods has a large absolute band gap at the high-frequency region: for the triangular lattice of oval hollow Te rods, there is an absolute band gap of 0.058w_e (w_e=2πc/a), and for the square lattice of square hollow Te rods, there is an absolute band gap of 0.056w_e.     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.