具有禁带展宽特性的一维光子晶体

提出了介质的光学厚度系数成圆形分布的一维光子晶体结构,与周期结构的光子晶体相比,该结构具有禁带展宽特性.同时讨论了起止膜层及膜层的光学厚度对该结构禁带特性的影响,优化出了在所选材料的介电常数所允许的频率范围内,具有完全禁带特征的光子晶体结构.     

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。     

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。     

一维超声光子晶体禁带结构分析

超声波在介质中传播时可以引起介质的折射率发生周期变化,当光波垂直于超声波的传播方向时,这种介质可以被用来作为光栅使用,称为超声光栅。当光波沿超声波的传播方向通过这种介质时,它还可以用作一维光子晶体,并称其为一维超声光子晶体(1D-USPC)。利用平面波法证明了一维超声光子晶体具有一般一维周期层叠结构光子晶体的禁带特征。同时这种光子禁带是可以通过超声波的波长和振幅来改变的,这就为控制光的行为方面提供另一种新的方法。     

宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构

提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.     

电子密度对等离子体光子晶体禁带特性的影响

从Maxwell方程出发,采用类似于量子力学Kronig-Penney模型求解周期势的方法,结合双水电极介质阻挡放电的实验结果,研究了电子密度ne对一维等离子体光子晶体禁带特性的影响。研究发现:电子密度对等离子体光子晶体光子禁带的位置和宽度均有重要的影响;等离子体光子晶体的禁带宽度随电子密度的增加而增大,增长速率为电子密度的函数;等离子体光子晶体的截止频率、光子禁带边缘频率随电子密度的增大而增大。给出了当等离子体光子晶体具有显著禁带宽度时的电子密度的理论临界值。     

介质光学厚度对一维光子晶体缺陷模的影响

利用传输矩阵法理论,研究介质光学厚度对一维光子晶体（AB）5（ACB）2（AB）5缺陷模的影响,结果表明：随着介质A、B或C的光学厚度按奇数倍、偶数倍增大时,光子晶体主禁带中的缺陷模均向禁带中心移动,出现缺陷模向禁带中心简并的趋势,且光学厚度按奇数倍增加时简并的趋势更明显,同时缺陷模移动速度以A介质光学厚度奇数倍增大时为最快;当介质A、B或C的光学厚度按奇或偶倍数增大到一定数值时,均出现对称分布于禁带中心两侧的新缺陷模,而且光学厚度按偶数倍增大时出现的新缺陷模要比偶数倍增大时的快。介质光学厚度对光子晶体缺陷模的影响规律,对光子晶体设计窄带多通道光学滤波器件、高灵敏度光学开关等具有积极的参考意义。     

一维光子晶体的光学传输特性分析

采用等效F-P腔方法对一维光子晶体进行研究,计算并讨论不同周期数的一维光子晶体对光学传输特性的影响.计算结果表明,一维光子晶体具有光子禁带,表现为对光的高反射率;掺杂的一维光子晶体的光子禁带中央将出现频宽极窄的缺陷态,即光子局域,与复折射率和晶体周期数有密切的关系.所得结果与实验分析一致,证明了方法的有效性和实用性,并为光子晶体的设计提供依据.     

一种简便的研究一维光子晶体禁带特征的新方法

利用光在一维光子晶体中传播的色散关系,提出了一种禁带边缘分析法,以研究一维光子晶体禁带特征的方法.该方法利用色散关系引入一个确定禁带边缘位置的函数F,F =0为禁带边缘的位置.通过绘出函数F的图线,由F =0确定禁带边缘的位置,进而分析得到禁带和允许带的特征.它避免了常用的特征矩阵法中对反射率复杂的数值计算,并能得到与特征矩阵法相同的结果.     

一维电介质-金属光子晶体的光学特性研究

利用传输矩阵方法,研究了一维电介质-金属光子晶体的光学特性,该光子晶体通过在Si/SiO₂组成的电介质型光子晶体中插入一定厚度Al层形成。计算结果表明,金属层的引入可以有效提高反射效率,[Si(46 nm)/SiO₂(60 nm)/Al(10 nm)/SiO₂(60 nm)]5结构的单位周期传输衰减从[Si(46 nm)/SiO₂(120 nm)]5的7.2 dB增大到了20 dB;可以得到更宽频率范围的全方向反射带隙,例如[Si(46 nm)/SiO₂(60 nm)/Al(30 nm)/SiO₂(60 nm)]5结构即可提供550 nm带宽的全方向反射;同时讨论了金属吸收、金属层厚度及插入位置对其光学特性的影响。这种电介质-金属光子晶体有望作为性能优异的光学反射镜得到应用。     

基于光子晶体塔姆态的带隙分裂

将由两个一维介质层光子晶体组成的异质结拓展为超晶格结构,分析了该结构的能带和透射谱。该超晶格结构可以产生多个界面隧穿态,它们之间的耦合可产生新的通带。研究结果表明,该通带的宽度随光子晶体的周期数变化,而通带的中心位置保持不变。当光子晶体周期数取特定值时,这个通带将发生分裂,在带间产生零相位带隙或π相位带隙。     

填充比和格点方向对二维三角晶格光子晶体带隙的影响

采用有限元法,计算了二维三角晶格椭圆形格点空气孔型光子晶体的TE、TM模式的带隙结构。通过对椭圆形空气孔格点的大小、方向进行改变,研究了填充比、格点方向对带隙的影响。计算结果表明,在空气孔型光子晶体中TE模式更容易形成带隙;不同填充比情况下,格点方向对TE模式和TM模的带隙变化都具有不同影响;不论格点方向如何变化,均未出现完全带隙。     

有限周期的一维光子晶体的透射率及其禁带

用传输矩阵方法得到了有限周期的一维光子晶体的复透射系数和透射率的解析表达式.根据这个结果,分析讨论了一维光子晶体的光子禁带产生的原因,讨论了光子禁带及透过带的特征,并用透射率讨论了λ₀/4片组成的有限个周期的一维光子晶体的光子带结构,得到了与用其它方法相同的结果.     

一维矩形光子晶体中电磁波的传输特性

利用一维矩形光子晶体中电磁波横向受限的条件,推导出电磁波在其中各个模式满足的关系式,从而研究了电磁波各模式的特性.通过色散法研究了电磁波的传输特性随模式量子数和矩形边长的变化规律,得出了一些不同于一维非受限光子晶体的新特征,即一维矩形光子晶体的禁带由模式量子数确定,禁带频率中心和频率宽度与模式量子数和边长有关.     

非线性一维光子晶体波导光双稳

利用非线性折射率系数较大且非线性时间响应较快的CdS_xSe_1-x玻璃为材料,设计并制备了非线性一维光子晶体波导光双稳器件,该器件的折射率空间分布呈正弦形式。实验测得双稳开关的阈值功率密度为1.60×10⁵W/cm²,开关时间为63ps。采用时域有限差分方法讨论了光子晶体带隙随入射光强变化而移动的情况,随着入射光功率密度的增加,光子晶体的带隙中心向短波方向移动。同时计算了该器件的双稳特性,理论计算得到双稳开关的阈值功率密度为1.40×10⁵W/cm²,开关时间约为50ps。获得了理论与实验基本一致的结果。     

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。     

一维四元镜像对称光子晶体的帯隙研究

构造了由AsS、SiO2、PbTe和LiF四种介质组合而成的(AB)m(CD)m-1 A(DC)m-1(BA)m一维四元镜像对称结构光子晶体模型,利用传输矩阵法,研究了该结构的光学传输特性。结果表明:当m≥4,光线垂直入射时,在可见光全波段(400~760nm)范围内恰好有一严格帯隙。四介质的几何厚度各自独立递增时,帯隙红移,宽度增加,反之亦然。随着入射角增加,帯隙将产生蓝移。对于TE波,该光子晶体具有较好的角度宽容度,可实现全角度在可见光大部分波段(400~705nm)范围内的反射;对于TM波,仅能在可见光小部分波段(400~520nm)实现全角度反射。     

各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

为了研究一维各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时的透射率,在透射波中发现了TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带.得出了与一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的不同点,即TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带的频率中心和频率宽度存在着较大的差异,利用这个特性可以将两种偏振光进行频率分离,为设计优质偏振滤波器提供理论依据.