基于晶格效应的光子晶体带隙特性研究

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类,利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构,讨论归一化半径对其带隙的影响,比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明:单胞含多个"原子"的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙,还容易产生TE模和TM模的完全带隙,进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值,(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.     

晶格中心插入体的对称性及取向对二维声子晶体带隙的影响

以二维钢/气体系声子晶体为模型,采用平面波法研究了圆柱正方及六角晶格中心添加插入体的对称性及取向与带隙的关系,给出了四方、六方、八方及圆柱插入体结构的带隙分布图及带隙随柱体取向的变化关系图.发现在低填充率条件下,插入体的截面形状与晶格类型相同时最有利于能带简并态的分离而获得带隙,但填充率较高时,采用高对称性的插入体可以获得最宽的带隙.正方晶格中心插入体取向对带隙的影响要比在六角晶格中更为显著.对四方柱正方晶格声子晶体的研究表明,仅旋转原柱体要比在其中心插入柱体后旋转更容易获得低频宽带隙,单独运用添加柱体或旋转非圆柱体来降低晶格对称性以获取低频带隙的方法要比同时使用两种方法效果更好.此外,从机理上对计算结果进行了解释.     

二维周期性复合介质中声波带隙结构及其缺陷态

用平面波展开方法和超元胞方法,研究了钢柱体在水中按周期性排列时声波的能带结构.讨论了钢柱体的横截面形状(圆形和正方形)、柱体的体积填充率及缺陷等因素对声波带隙结构的影响. 关键词： 声波 带隙 缺陷态     

二维复式格子声子晶体带隙结构特性

借助于平面波展开法分析了二维复式格子声子晶体能带结构，计算了铝合金柱体按周期性结构排列在空气中形成的二维固/气复合体系的声子晶体，给出了复式蜂窝格子和复式Kagome格子的能带结构，进而对比分析了复式格子和简单格子的能带结构特性.结果表明，与简单格子相比，复式格子的带隙出现在频率相对较低的位置；在f=0.091—0.6046范围内，将声子晶体排列为复式格子要优于简单格子，可以得到更宽带隙.此外，引入了带隙分布图，讨论了填充系数f对带隙数目、带隙宽度以及带隙上下边界频率的影响. 关键词： 声子晶体 复式格子 带隙 平面波算法     

基于正方和六角排列结构光子晶体对发光二极管出光效率的研究

采用时域有限差分（finite-difference time-domain, FDTD）方法计算正方和六角排列圆形光子晶体的能带结构,研究了光子晶体占空比对能带的影响,找到一组获得带隙个数最多的二维光子晶体的几何结构参数;采用FDTD方法计算具有该参数的光子晶体的发光二极管（LED）出光效率,模拟表明该结构参数的正方和六角排列圆形光子晶体提高了GaN基蓝光LED出光效率5—6倍,六角排列优于正方排列;利用禁带理论、等效介质理论分析了增透机理. 关键词： 光子晶体 能带 出光效率 发光二极管     

不同结构光子晶体的带隙特性

基于平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟了横磁波和横电波在三角晶格和正方晶格构成的二维光子晶体中的带隙特性,得到了三角晶格较正方晶格更容易出现带隙,且三角晶格的横电波光子带隙较大.实验结果为光子晶体器件的设计提供理论依据.     

二维复式晶格磁振子晶体的带隙结构

提出了一种复式晶格磁振子晶体的模型,该模型由两种铁磁材料散射体周期排列在另一种铁磁材料基底中构成.应用超原胞的思想拓展了平面波展开法,用于数值计算研究自旋波在复式晶格磁振子晶体中的本征性质本文数值计算了由两种大小不同的铁(Fe)-铁(Fe)圆柱体交替正方排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的二维复式晶格磁振子晶体的带结构,研究了带隙宽度随体积填充率的变化行为,并与同一铁(Fe)圆柱正方排列在氧化铕(EuO)基底材料中构成的简单晶格磁振子晶体的带隙结构随体积填充率的变化行为进行了比较.结果表明,利用复式晶格可以优化或调节自旋波带隙的宽度和频率位置.     

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     

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。     

散射体排列方式对二维磁振子晶体带隙结构的影响

本文采用平面波展开法数值计算了由铁圆柱分别按正方排列、三角排列以及六角排列在氧化铕基底材料中构成的二维磁振子晶体带结构,讨论了散射体的不同排列方式对磁振子晶体带隙结构的影响.计算结果表明,三角排列散射体的磁振子晶体能够获得最大的自旋波带隙结构. 关键词： 磁振子晶体 带隙 排列方式     

用于短波段发光二极管的二维光子晶体禁带研究

运用平面波展开法(PWE),针对光子晶体在短波长段发光二极管(LED)领域上的应用,主要选择高频禁带模式,研究了4种具有较大应用潜力的二维光子晶体结构,包括正方空气柱结构、三角空气柱结构、正方介质柱结构和三角介质柱结构。在不同晶格常数、占空比(AFF)、柱半径和晶格常数比下,分析了TE模式和TM模式光子禁带的变化。数据分析表明,光子禁带中心波长随AFF增加而变小。相比于其他结构,正方介质柱结构更适于短波段光子晶体LED来提高其出光效率,三角介质柱结构和三角空气柱结构适合用于构造短波段偏振光LED。     

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。     

Tuning of full band gap in anisotropic photonic crystal slabs using a liquid crystal

We analyze the tunability of full band gap in photonic crystal slabs created by square and triangular lattices of air holes in anisotropic tellurium background, considering that the regions above and below the slab are occupied by SiO₂ and the holes are infiltrated with liquid crystals. Using the supercell method based on plane wave expansion, we study the variation of full band gap by changing the optical axis orientation of liquid crystal. Our results demonstrate the existence and remarkable tunability of full band gap in both square and triangular lattices, largest band gap and tunability being obtained for the triangular lattice.     

Effects of orientation and shape of holes on the band gaps in water waves over periodically drilled bottoms

The complete band gaps (CBGs) of shallow water waves propagating over bottoms with periodically drilled holes are investigated numerically by the plane wave expansion method. Four different patterns are considered, containing triangular, square, hexagonal and circular cross-sectioned holes arranged into triangular lattices. Results show that the width of CBGs can be changed by adjusting the orientation of noncircular holes and the effect of hole shape on the width of the maximal CBGs is discussed.     

Complete band gaps of phononic crystal plates with square rods

Much of previous work has been devoted in studying complete band gaps for bulk phononic crystal (PC). In this paper, we theoretically investigate the existence and widths of these gaps for PC plates. We focus our attention on steel rods of square cross sectional area embedded in epoxy matrix. The equations for calculating the dispersion relation for square rods in a square or a triangular lattice have been derived. Our analysis is based on super cell plane wave expansion (SC-PWE) method. The influence of inclusions filling factor and plate thickness on the existence and width of the phononic band gaps has been discussed. Our calculations show that there is a certain filling factor (f = 0.55) below which arrangement of square rods in a triangular lattice is superior to the arrangement in a square lattice. A comparison between square and circular cross sectional rods reveals that the former has superior normalized gap width than the latter in case of a square lattice. This situation is switched in case of a triangular lattice. Moreover, a maximum normalized gap width of 0.7 can be achieved for PC plate of square rods embedded in a square lattice and having height 90% of the lattice constant.     

Photonic band structures of two-dimensional photonic crystals with deformed lattices

Using the plane-wave expansion method, we have calculated and analysed the changes of photonic band structures arising from two kinds of deformed lattices, including the stretching and shrinking of lattices. The square lattice with square air holes and the triangular lattice with circular air holes are both studied. Calculated results show that the change of lattice size in some special ranges can enlarge the band gap, which depends strongly on the filling factor of air holes in photonic crystals; and besides, the asymmetric band edges will appear with the broken symmetry of lattices.     

二维棋盘格子复式晶格的完全光子带隙研究

设计了一种棋盘格子复式晶格的二维光子晶体：在二维正方形格子中，把截面为正方形的柱子旋转45°，同时在每个原胞中心引入一个圆形截面的柱子构成的光子晶体结构. 用平面波展开计算棋盘格子复式晶格的完全光子带隙，结果表明：棋盘格子复式晶格的完全光子带隙的Δω/ω比值几乎是普通棋盘格子的5倍，完全光子带隙的个数也增加. 与其他复式结构相比较，发现其最佳的Δω/ω比值是一类粗锐复合结构光子晶体的2.1倍. 关键词： 二维光子晶体 复式晶格 完全光子带隙     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点. 关键词： 金属光子晶体 频域有限差分法 全禁带     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点.     

THz波段光子晶体带隙影响因素研究

应用平面波展开法和时域有限差分法分析计算了二维方形光子晶体在太赫兹波段的带隙特征,并着重研究了影响太赫兹波段二维方形光子晶体带隙的因素。通过改变光子晶体的介电常数和截面半径得出了光子晶体带隙随这两种因素的变化规律,进而研究了太赫兹波段损耗较小的塑料和高阻硅两种材料构成的光子晶体带隙及光子晶体波导的传输特性。