THz波段金属光子晶体的带隙及缺陷特性分析

研究了一种适用于太赫兹器件的二维金属光子晶体结构,该结构为正方晶格的二维铜柱光子晶体。首先用时域有限差分法计算分析了它的带隙结构,讨论了带隙随着填充比的变化规律,接着讨论了引入点缺陷时所产生的缺陷模特性,得到了点缺陷所对应的缺陷模场分布图。研究结果为THz波段光子晶体器件的开发及制作提供了理论依据。     

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...     

太赫兹波段三角晶格二维光子晶体的传输特性

用平面波展开法研究了太赫兹(THz)波在二维三角晶格光子晶体中的传输特性。数值计算了以硅为背景的空气圆柱构成的二维三角晶格光子晶体的能带结构和态密度,计算表明在介质圆柱半径r=0.47a(a为空气介质柱的晶格常数)出现最大完全光子带隙,带隙宽度为0.070 1 THz;当r=0.49a和r=0.45a时,E偏振和H偏振分别出现最大光子带隙,带隙宽度分别0.102 2,0.192 3 THz。光子晶体能态密度的分布也表明了存在光子带隙的范围。研究结果为THz器件的开发提供了理论依据。     

光子晶体对太赫兹波的调制特性研究

利用传输矩阵方法研究了掺杂半导体n-GaAs/聚碳酸脂一维光子晶体的太赫兹波透射谱.研究结果发现,与一般由两种介电材料组成的一维光子晶体不同,由于掺杂半导体中自由载流子对太赫兹波存在较强的吸收,所以这种材料组成的一维光子晶体除可形成光子带隙外,还可以增强n-GaAs对太赫兹波的透射.同时还提出了一种基于这种一维光子晶体的太赫兹波调制器,通过外加电压控制半导体中电子浓度的大小可实现对太赫兹透射波幅度的调制. 关键词： 掺杂半导体光子晶体 太赫兹波 太赫兹波的调制     

基于磁光子晶体的磁控可调谐太赫兹滤波器和开关

本文研究了铁氧体磁性材料应用于太赫兹波导器件的可行性. 利用铁氧体磁性材料的磁导率随外磁场改变而变化的性质,设计出了一种新颖的磁控连续可调谐太赫兹滤波器和开关. 利用平面波展开法(plane wave expansion,PWE)和时域有限差分法(finite difference time domain,FDTD)计算了二维磁光子晶体中外磁场变化对带隙位置和宽度的影响,结果显示应用该结构实现的滤波器和开关具有良好的性能. 关键词： 磁光子晶体 铁氧体 太赫兹     

低损耗高双折射太赫兹Topas光子带隙光纤

以太赫兹低损耗聚合物材料Topas环烯烃共聚物为基材,设计了一种带隙型光子晶体光纤.光纤由三角形排列的圆角正六边形空气孔构成包层,缺失四个近邻空气孔构成近菱形的二重对称空气芯.采用有限元法分析了该光纤在太赫兹波段的传输特性.结果表明:在1.5THz附近约0.3THz的宽频范围内存在光子带隙,光纤可以基于光子带隙效应将太赫兹波束缚在空气芯中传输.在1.4~1.6THz范围内具有10-3数量级的高双折射;x偏振基模和y偏振基模的损耗都小于0.1cm-1,分别在1.53THz和1.5THz处达到最小值0.029 1cm-1和0.028 7cm-1.所设计的太赫兹Topas光子带隙光纤具备结构简单、易制备、直径小而易弯曲的特点.     

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.     

二维非正交坐标斜方格金属光子带隙结构

金属光子带隙结构在高能加速器、微波真空电子器件和太赫兹波源等方面具有重要的应用前景.基于实空间传输矩阵理论，详细研究了非正交坐标系下二维斜方格金属光子带隙结构，给出了计算横电模、横磁模完全带隙结构的一般公式，并分析了填充系数、任意斜角及金属柱横截面对带隙结构的影响.计算结果在退化为正方格情况下时，与其他方法的计算结果取得很好的一致. 关键词： 光子晶体 金属光子带隙 传输矩阵法 微波真空电子器件     

多功能磁光子晶体太赫兹可调偏振控制器件

通过对磁场控制下的二维磁光子晶体太赫兹波偏振传输特性的研究,利用铁氧体磁光材料的磁导率随外磁场改变而变化的特点,设计了具有可控起偏、偏振分束和可调谐波片功能的光子晶体太赫兹偏振控制器件.利用平面波展开法和严格耦合波分析分别计算了光子晶体带隙位置和透过率随外磁场强度变化的关系,用时域有限差分法计算了场分布和相位.结果表明,该结构可以实现高偏振消光比的偏振起偏器和分束器,以及在1 THz附近-π-π相位范围的连续可调谐波片. 关键词： 太赫兹 光子晶体 铁氧体 偏振控制     

空气环型二维光子晶体完全带隙特性研究

采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙. 关键词： 空气环型二维光子晶体 完全带隙 平面波展开法     

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。     

Photonic band gaps in two-dimensional photonic crystals of core-shell-type dielectric nanorod heterostructures

A new type of two-dimensional photonic crystal (PC) called core-shell-type PC composed of a nanorod heterostructure array in a square or triangular lattice such that a dielectric nanorod is covered by a thin interfacial layer is studied. Using the plane-wave numerical expansion method, we study the modification of the band gap spectrum when the nanorods are covered by other material, and reveal that the photonic band gap is considerably enhanced in size for both square and triangular lattice. The effects of structural parameters on the band gaps are also studied. The results show that there exist optimal parameters to open large gaps, and TE (Transverse-electric) band gaps are favored in a triangular 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.     

水波在周期性钻孔底部结构中的传播及其能带

采用平面波展开法计算了浅水表面波在底部按周期性钻孔结构下的能带,找到了完全带隙的出现.通过考虑方形孔按正方晶格排列、圆形孔按正方晶格和六角晶格排列等三种钻孔模型,发现带隙的数量、宽度、频率、位置与孔的面积、形状、方位角及其排列晶格等都有关.且这些规律与光子/声子晶体的情况相类似. 关键词： 周期性 水波 能带 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。     

Photonic crystal with complex unit cell for large complete band gap

A novel two-dimensional complex photonic crystal with dielectric rods and veins in square and honeycomb lattice is presented to achieve large complete band gaps. The rods with different symmetries, shapes, orientations, and sizes are investigated numerically. The sizes of gaps are intensively affected by these geometric parameters. Extremely large gaps are realized by the parameter optimization with gallium arsenide material. The scattering of veins is more dominant than that of rods which demonstrates the validity of the complex photonic crystal structures. Furthermore, an excellent wide region of dielectric rods and veins, where the sizes of gaps are universally large, is found in square and honeycomb lattice, respectively.     

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.     

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.     

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。     

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.