异质三周期光子晶体的光子带隙特性

利用传输矩阵法研究了由TiO₂和SiO₂两种材料构成的异质三周期一维光子晶体的传光特性,发现该结构能在波长为200~ 2 000 nm的范围内形成7处比较明显的光子带隙,并且波长越大,带隙的宽度越大。重点研究了这种结构的光子晶体的透射谱线与入射角度、介质层数及介质层厚度的关系,发现该结构形成的光子带隙的大小和位置对介质层的循环周期数不敏感,但对入射角度和介质层的厚度很敏感。     

对称型单负交替一维光子晶体的能带结构

构造了(AB)^N(BA)^N对称型两种单负材料交替一维光子晶体,利用传输矩阵法进行数值模拟.结果表明：这种单负交替对称型一维光子晶体具有一种特殊带隙结构,该带隙不敏感于入射角和晶格的无序性.在该带隙内出现了两个隧穿模,该隧穿模不敏感于入射角的改变和晶格的无序性,但能带及带隙内的隧穿模却敏感于晶格标度和周期数的变化;随着入射角的改变,带隙两侧的隧穿模趋于简并.这些特性对在利用此结构光子晶体设计双重超窄带滤波器时,具有一定的参考价值. 关键词： 光子晶体 单负材料 光子带隙     

异质单周期内对称光子晶体的光子带隙特性

利用传输矩阵法,理论上对由TIO₂和SiO₂构成的异质单周期内对称光子晶体的透射谱进行仿真,分别改变入射光的角度、光子晶体介质层数和BA两层的厚度比,观察其透射谱,研究发现该结构形成的光子带隙的位置大小对介质层数的变化不敏感,但对入射角和BA两层厚度比的变化很敏感,这一研究对于光子晶体的设计具有重要意义.     

微波段左手材料光子晶体带隙特性研究

利用电磁理论和传输矩阵法仿真得到了在0.3~6.935GHz微波波段具有负折射率的左手材料,并分别对右手材料和左手材料构成的光子晶体带隙特点进行了分析.结果表明:右手材料光子晶体结构的带隙对周期数变化不敏感,而对层厚度比、入射角度变化敏感;左手材料光子晶体带隙随层厚度比的增大,带隙位置出现蓝移,随着入射角度的增大,TM波主带隙的上带边会出现红移,而TE波带隙特性对入射角度变化不敏感.研究结果对微波技术中全方位反射器等器件的设计有一定的参考意义.     

含各向异性左手材料一维光子晶体的传输特性分析

采用光学传输矩阵方法,研究了由各向异性左、右手材料交替排列构成的一维人工周期结构的带隙结构和传输特性,讨论了反射率随入射角度的变化关系。结果表明,含各向异性左手材料的光子晶体比传统的光子晶体有更宽的禁带;含各向异性左手材料的一维光予晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对某一低频波段的全方位反射;通过适当选取左手材料的参数,禁带中会出现狭窄的透射峰。     

级联一维光子晶体全方位反射器的带宽最大化

理论研究了由级联一维光子晶体构成的光子异质结构的全方位透射(反射)特性.其中各级联光子晶体的高低折射率介质相同、光学厚度比不同.以两个光子晶体级联的结构为对象,利用传输矩阵方法系统研究了不同偏振态光在不同入射角时光子帯隙的变化,得出实现全方位光子带隙的最大展宽条件,即前一光子晶体的帯隙上限要和后一光子晶体的带隙下限在最大入射角时重合.分别给出了满足和不满足该最大展宽条件的级联结构的全方位带隙参量,通过对全方位带隙宽度的比较说明了满足最大展宽条件的级联结构具有最大的全方位带隙宽度.     

异质双周期结构光子晶体光学特性

利用传输矩阵法研究了异质双周期结构一维光子晶体的带隙结构和光学传输特性。此光子晶体能形成512~960 nm的含5个极窄透射峰的光子带隙。重点研究了一种材料为复折射率时的光学传输特性,以及当结构发生轴向应变时的"介观压光效应"。结果表明:当复折射率虚部为负时,透射峰随虚部绝对值的增大先增大后减小,甚至出现衰减;虚部为正时,发生吸收现象。当光子晶体发生轴向应变时,透射峰随应变量的增加呈现近似L形变化,应变量很小时透射率几乎线性减小,波长越大透射峰变化越缓慢。     

含复合缺陷层的光子晶体的光学特性

运用传输矩阵法研究了在一维光子晶体中插入缺陷层的透光特性。在无缺陷层的一维光子晶体中能产生467~510 nm、1 279~1 715 nm两处明显的光子带隙。重点研究了插入缺陷层后,在1 279~1 715 nm的光子带隙中缺陷层厚度和入射角度大小分别与透射光谱变化的关系。研究发现：缺陷模的位置对入射角变化很敏感;出现缺陷模的数量和插入缺陷层的数量相同;一维光子晶体厚度的增大不会改变缺陷模的数量和位置,只改变透射峰的宽度和透射率。     

异质镜像光子晶体的光子带隙研究

对异质镜像结构光子晶体(ABCCBA)^N进行了研究。首先,利用一维介电体系中处理光传播的方法--传输矩阵法,详细推导了异质镜像光子晶体透射率的计算公式;然后,采用Matlab软件编程仿真并分析了光子带隙形成与镜像周期数目、光子带隙数目与光子晶体薄层厚度、光子带隙位置与入射角大小等的关系。结果表明:光子带隙的形成及变化主要受光子晶体薄层厚度及入射角大小变化的影响。通过改变影响光子晶体光子带隙的参数,可得到不同频段的光子带隙,用来制作高质量反射镜、滤波器和发光二极管等。     

对称缺陷复合光子晶体的偏振特性研究

用传输矩阵法研究了在不同入射角时对称缺陷复合光子晶体[D(AB)mD]2结构s偏振和p偏振的光传输特性。计算结果表明:对称缺陷复合光子晶体[D(AB)mD]2结构中的禁带出现两个完全共振透射峰。随着入射角的增大,s光和p光的带隙中心和透射峰都向高频方向移动,s光的带宽增大,p光的带宽减小,但带隙中心始终相同。通过微小地改变入射角可改变透射峰的频率和偏振态。此结果为该结构实现双通道方位开关和偏振器提供了理论依据,也为拓宽该结构带隙和得到所需要的偏振光提供了理论基础。     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

含左手材料异质结构光子晶体的零平均折射率带隙的展宽

运用光学传输矩阵理论,研究了含左手材料一维二元光子晶体的禁带特性.提出了含左手材料的光子晶体异质结构中零平均折射率带隙展宽的方法.根据此方法设计的异质结构的光子晶体形成的零平均折射率带隙,与一维光子晶体零平均折射率带隙相比,零平均折射率带隙的宽度和相对带隙宽度可以得到显著的拓宽.而且它的零平均折射率带隙的边缘与TM波和TE波相关.这种特性在微型谐振腔、天线基片、同轴波导等方面都具有潜在的应用.     

Design of sharp transmission filters using band-edge resonances in one-dimensional photonic crystal hetero-structures

This paper presents a design of sharp transmission filters using band edge resonance effects in a hetero-structure composed of one-dimensional photonic crystals with different periods. Assuming that the photonic crystals are made of identical pairs of transparent materials, the band-edge resonance occurs when the periods are distributed in a geometrical progression with a common ratio, r=r _c , where r _c is a known function of refractive-index modulation, incident angle and the polarization of light. The band-edge resonance results in sharp resonant peaks in the transmission spectrum, with the full width at half maximum of the peaks increasing with an increase in the number of unit cells in each photonic crystal. Furthermore, if M photonic crystals are used to construct the hetero-structure, M−1 resonant peaks with the spacing between kth (1<k<M) and (k−1)th peaks equal to the band gap of the kth photonic crystal form in the transmission spectrum.     

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.     

实现多共振模的一维异质结构光子晶体

用两种正折射率材料设计了一维光子晶体异质结构模型,并利用传输矩阵法对该光子晶体的透射谱进行了理论研究。结果发现:光通过光子晶体时,在较宽的禁带范围内出现透射率为100%的多条共振模,且共振模的数目与光子晶体结构周期数m相对应;当入射角一定时,共振模的位置可以通过介质的折射率、厚度来调制;当入射光入射角度增大时,多共振模出现整体蓝移,同时共振模宽度变窄。这些特性有望应用于多通道窄带滤波器的设计。     

Transmission properties in a one-dimensional finite extrinsic semiconductor InSb photonic crystal

The properties of wave transmission in a strongly dispersive semiconductor-dielectric photonic crystal (SDPC) are theoretically investigated. We consider a one-dimensional finite SDPC, air/(SD) ^N S/air, where, N is the stack number, S is an extrinsic semiconductor, n-type InSb (n-InSb), and D is a dielectric layer of SiO₂. Transmission peaks can be found in the frequency region where the real part of the complex permittivity of n-InSb is negative. The number of peaks is equal to the stack number N. The positions of peaks can be tuned by the thicknesses of S and D. The peaks are seen to be blue-shifted as the doping density increases, leading to a tunable filter. The locations of peaks are also strongly dependent on the incidence angle, but weakly dependent on the polarization of the incident wave. The results suggest that a tunable multichannel filter can be achieved by using such an SDPC. Filters with tunable and multichannel features are of technical use in photonic applications such as in the optical electronics and communications.     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

Unusual transmission through usual one-dimensional photonic crystal in the presence of evanescent wave

Basing on the condition that the incident angle is larger than the total internal reflection angle, we present a systematic study of transmission properties of one-dimensional photonic crystal with all dielectric materials by the transfer matrix method and the Bloch’s theorem. Due to the existence of the evanescent field within the structure, the transmission bands consist of some discrete symmetry peaks. For light with these peak frequencies, the structure is either transparent or opaque depending on the number of the structure periods. The unusual transmission properties are attributed to the field distribution and Bloch wave vector.     

单轴应力对一维镜像光子晶体光子局域态透射峰的影响

利用传输矩阵法研究了镜像异质三周期一维光子晶体中的光子局域态随单轴应力发生变化的特性. 对于镜像异质三周期光子晶体, 由于其镜像结构, 破坏了光子晶体的有序性, 产生了一个缺陷态, 使其在较宽的光子禁带中心有一个光子局域态透射峰. 研究表明: 当对镜像异质三周期光子晶体施加单轴应力时, 其中的光子局域态透射峰会随着应力的改变而发生剧烈的变化. 当外部微弱的机械应力施加到光子晶体上时, 对光子晶体形成一个拉伸应变, 拉伸应变引起光子晶体结构的变化, 进而大幅度影响光子局域态透射峰的透射率.结果表明: 透射峰的透射率明显受单轴应力的影响. 这些特性可为用此结构的光子晶体设计超高灵敏度压力传感器提供理论参考. 关键词： 光子晶体 单轴应力 光子局域态 传输矩阵