非密堆积TiO2空心微球光子晶体的制备与能带分析

利用胶体自组装、高温烧结和HF酸刻蚀技术,制备了SiO₂微球非密堆积面心立方(FCC)结构的胶体晶体,并以此为模板,利用溶胶凝胶方法和NaOH湿法刻蚀技术制备了TiO₂空心微球非密堆积FCC结构光子晶体.利用电子显微镜分析了晶体的结构,用平面波展开法对该结构进行了能带计算与分析.计算结果表明,制备的TiO₂空心微球非密堆积FCC结构光子晶体在低能区的第二、第三能带之间除布里渊区的W点仍保持简并外,其余各点简并都已经消除. 关键词： 空心微球 非密堆积 光子晶体 光子带隙     

三维光子晶体FCC结构的带隙分析

采用平面波展开法研究了由介质球构成的蛋白石的三维光子晶体FCC结构的能带结构,改变r/a的大小获取最大完全带隙,并计算了在双球结构中改变一个小球的变化所引起的三维光子晶体带隙的变化,结果为三维光子晶体的实验和应用提供了一些指导和帮助.     

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     

旋转对二维正方晶格介质柱内空结构光子晶体禁带的影响

采用平面波展开的方法计算了三种旋转操作下二维正方晶格各向异性材料(Te)介质柱内空结构光子晶体TE,TM模式能带.讨论了三种旋转操作对TE,TM模式带隙及完全光子禁带的影响.发现TM模式高频带隙与结构的旋转对称性有着密切的关系.而TE模式的带隙不仅受到晶体旋转对称性的影响同时也受到介质在x-y平面分布情况的影响. 关键词： 二维光子晶体 内空结构 旋转操作 光子带隙     

非密堆积TiO2空心微球光子晶体的制备与能带分析

利用胶体自组装、高温烧结和HF酸刻蚀技术,制备了SiO2微球非密堆积面心立方(FCC)结构的胶体晶体,并以此为模板,利用溶胶凝胶方法和NaOH湿法刻蚀技术制备了TiO2空心微球非密堆积FCC结构光子晶体.利用电子显微镜分析了晶体的结构,用平面波展开法对该结构进行了能带计算与分析.计算结果表明,制备的TiO2空心微球非密堆积FCC结构光子晶体在低能区的第二、第三能带之间除布里渊区的W点仍保持简并外,其余各点简并都已经消除.     

六角蜂窝结构光子晶体异质结带隙特性研究

利用蜂窝结构光子晶体具有两个范围较大绝对带隙的特性，设计新型六角蜂窝结构光子晶体异质结，采用平面波展开和超晶胞相结合的方法来研究异质结的能带结构特性.给出异质结的结构和相应的能带图，分析异质结界面传导模，研究两侧结构作横向拉开和侧向滑移时对传导模的影响，讨论这些结构的实际可行性.计算结果表明，没有任何晶格移动，此种结构异质结在绝对带隙中就有导模存在，两边晶格横向拉开对导模影响较大，而侧向滑移的影响则较小. 关键词： 光子晶体 异质结 光子带隙 超晶胞     

介质中间层的引入对光子晶体薄板特性的影响

利用导模展开方法计算得到了三角格子三组分光子晶体薄板的能带结构和固有损耗.在光子晶体薄板中引入的第三组分中间介质层对光子晶体薄板的能带结构和固有损耗有着显著的影响.光子带隙宽度与带隙边界的位置与中间介质层的厚度和其介电常数大小紧密相关,随着中间介质层的厚度或中间介质层的介电常数的增加,带隙边界移往低频,而各能带所对应的次导模所受固有损耗减小.     

手征介质构成的面心立方光子晶体光子带结构计算

提出通过磁场分量计算手征介质组成的光子晶体光子带结构的平面波法．计算表明：手征介质“球形原子”在介电体中排列所组成的面心立方光子晶体和介电体“球形原子”在手征介质中排列所组成的面心立方光子晶体的光子带结构，均存在截止频率，在该频率以下无传播模存在．并与由电场分量计算的结果作了比较，讨论了出现差异的原因 关键词：     

磁导率对二维蜂窝结构光子晶体带隙的影响

利用平面波展开法对二维六角晶格结构磁性光子晶体的带隙特性进行了研究，给出其能带结构分布图，并与非磁性介质构成的光子晶体进行了比较.结果表明，由磁性材料构成的光子晶体更易出现带隙，磁导率对带隙结构影响很大.空气背景磁性散射子情况，磁导率增加较小时，二个绝对光子带隙宽度逐渐减小，直至消失.继续增加磁导率，在较低频率范围内出现一个绝对光子带隙，占空比逐渐加大，且最佳填充系数基本保持不变.磁性背景空气散射子，类似地在较低频率范围内也出现了一个绝对光子带隙.磁性背景非磁性散射子与空气背景磁性散射子情况相似.     

由球形原子构成的多种周期性介电结构的光子能带计算

采用矢量平面波方法计算了由球形空气原子构成的体心立方结构和六角密堆结构的光子能带，两种结构下都看到了贯通整个布里渊区的禁带。本文预言周期性介电结构的最大折射率调制度和最大禁带宽度对应于同样的原子体积分数，而且这个最佳的原子体积分数是结构无关的。文中还计算了由各向异性介电小球构成的面心立方结构的光子能带并看到了禁带，这与各向同性介电小球构成的面心立方结构很不相同。     

Modelling of 3D photonic crystals based on opals

The construction of 3D photonic crystals with gaps in the visible or the near-infrared frequency range requires engineering of complex microstructures which are very difficult to realize by etching and micro-fabrication. Consequently, self-ordered systems such as synthetic opals are very promising. Synthetic bare opals are constituted by SiO₂ spheres that organize themselves by a sedimentation process in a face centered cubic (fcc) arrangement. Using the plane wave method, we examine the photonic band structures of close-packed opal-based photonic crystals with an SiO₂ (n = 1.5) matrix. The incomplete photonic band gaps at the X- and L-points have been studied which correspond to normally incident plane waves onto the (100) and (111) crystal planes. With the transfer matrix method, we model the transmission properties. We find that the incomplete gap at the L-point fully inhibits the transmission of waves propagating in the [111] direction for opal sample thicknesses that are easily obtainable. This property shows that bare opals could be good candidates for complete inhibition of transmission in the near-infrared and visible frequency range for given orientations.     

Modelling and design of complete photonic band gaps in two-dimensional photonic crystals

In this paper, we investigate the existence and variation of complete photonic band gap size with the introduction of asymmetry in the constituent dielectric rods with honeycomb lattices in two-dimensional photonic crystals (PhC) using the plane-wave expansion (PWE) method. Two examples, one consisting of elliptical rods and the other comprising of rectangular rods in honeycomb lattices are considered with a view to estimate the design parameters for maximizing the complete photonic band gap. Further, it has been shown that complete photonic band gap size changes with the variation in the orientation angle of the constituent dielectric rods.      

Photonic band gap engineering in 2D photonic crystals

The polarization-dependent photonic band gaps (TM and TE polarizations) in two-dimensional photonic crystals with square lattices composed of air holes in dielectric and vice versa i.e., dielectric rods in air, using the plane-wave expansion method are investigated. We then study, how the photonic band gap size is affected by the changing ellipticity of the constituent air holes/dielectric rods. It is observed that the size of the photonic band gap changes with changing ellipticity of the constituent air holes/dielectric rods. Further, it is reported, how the photonic band gap size is affected by the change in the orientation of the constituent elliptical air holes/dielectric rods in 2D photonic crystals.     

Photonic band structure of one-dimensional metal/dielectric structures calculated by the plane-wave expansion method

The plane-wave expansion(PWE) method is employed to calculate the photonic band structures of metal/dielectric(M/D) periodic systems. We consider a one-dimensional(1D) M/D superlattice with a metal layer characterized by a frequency-dependent dielectric function. To calculate the photonic band of such a system, we propose a new method and thus avoid solving the nonlinear eigenvalue equations. We obtained the frequency dispersions and the energy distributions of eigen-modes of 1D superlattices. This general method is applicable to calculate the photonic band of a broad class of physical systems, e.g. 2D and 3D M/D photonic crystals. For comparison, we present a simple introduction of the finite-difference(FD) method to calculate the same system, and the agreement turns out to be good. But the FD method cannot be applied to the TM modes of the M/D superlattice.     

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.     

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.     

Obtaining the band structure of a complicated photonic crystal by linear operations

Absolute band gaps can be created by lifting the degeneracy in the bands of a photonic crystal.To calculate the band structure of a complicated photoinc crystal generated by e.g.symmetry breaking ,general forms of all possible linear operations are presented in terms of matrices and procedure to combine these operations in given.Other forms of linear operations (Such as the addition,subtraction,and translation transforms)are also presented to obtain an explicit expression for the Fourier coefficient of the dielectric function in the plane-wave expansion method.With the present method,band structures for various complicated photoinc crystals(related through these linear operations)can be obtained easily and quickly.As a numerical example,a large absolute and gap for a complicated photonic crystal structure of GaAs is found in the high reglon of normalized frequency.     

三维光子晶体典型结构完全禁带的最佳参数理论分析

基于平面波展开法，理论分析了晶格结构、填充率、介电常数比等因素对fcc，diamond，woodpile三种三维光子晶体典型结构完全禁带的影响.三种结构中，fcc结构由于高对称性导致的能级简并，只适用于密堆积排列的反蛋白石结构；diamond结构非常容易产生高带隙率的完全禁带，并且可以通过调节多项参数得到所需的完全禁带；woodpile结构参数调节范围比较宽，为实验制备带来方便.对于不同的三维光子晶体结构，随着介电常数比的增大，完全禁带的宽度和带隙率也会随着增大.还发现了一些以前未引起注意的现象. 关键词： 三维光子晶体 完全禁带 介电常数比 带隙率 平面波展开法     

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。     

空芯光子晶体光纤光子带隙的测量与数值模拟

用全矢量平面波法计算三角结构光子晶体光纤的带隙. 用透射法测量了自制的空芯光子晶体光纤的透射谱,得到了它在可见光波段透射强度与波长的关系,并在随后的实验中观测到了传光的模场图.通过理论模拟了实验所用的空芯光子晶体光纤的带隙图,与实验结果具有较好的一致性. 关键词： 空芯光子晶体光纤 光子带隙 全矢量平面波法 透射