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。     

二维光子晶体层状超晶格透射特性研究

把平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM)用于数值研究圆柱柱体粗细及折射率层状间隔构成的二维光子晶体超晶格的传输特性.数值结果表明,层状超晶格的透射谱中禁带宽度在柱体折射率相同时与粗细柱体半径差异成线性关系,半径相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.在半径相同时禁带宽度与层间折射率差异同样成线性关系,折射率相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.因此人们可以根据实际应用中的禁带需要利用上述各种可调因素进行调节.     

二维空心介质柱型三角晶格光子晶体的完全光子禁带

利用时域有限差分方法理论研究了由介质锗柱组成的二维三角晶格光子晶体的完全光子禁带。研究表明,对于由圆形空心锗柱排列在空气中组成的三角晶格光子晶体,TM偏振和TE偏振的光子禁带存在重叠,因而具有完全禁带。当锗柱的形状为空心三角形时,可实现宽度为0.074(2πc/a)的完全带隙,该带隙宽度达到了中心频率的16.2%。     

遗传算法优化设计三角晶格光子晶体

将遗传算法应用于三角晶格光子晶体的禁带设计过程. 考虑到可制备性，算法以第五能级下最大绝对禁带为优化目标，采用粗粒度像素表示原胞结构. 通过引入傅里叶变换数据备份机制以提高禁带计算速度和算法效率，从而快速搜索到了具有较大绝对禁带的“介质空气柱”散射体形状的三角晶格光子晶体，其最大绝对禁带的相对宽度值(绝对禁带宽度和中心高度的比值)为23.8%. 关键词： 二维光子晶体 三角晶格 光子带隙 遗传算法     

基于空气环结构的大带隙二维光子晶体的设计

用平面波展开法研究了内介质柱截面为长方形的三角晶格空气环型光子晶体的完全带隙特性。通过调节内介质柱的大小、介电常数、旋转角度以及空气环外半径对完全带隙的影响,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。经优化后得到禁带宽度Δω=0.082(2πca-1)(其中a为晶格常数,c为光速),中心频率ω0=0.401(2πca-1),完全带隙宽度与中心频率的比值达到了20.4%,该结果比圆形内介质柱截面空气环结构的完全带隙大,比普通的空气孔结构的完全带隙增大了37%。     

光学波段菲波纳契序列一维光子晶体纳米膜传输特性研究

为了研究光学波段菲波纳契序列一维光子晶体纳米膜的传输特性,应用传输矩阵方法数值模拟各种情况下的透射率即传输函数随频率的变化.数值结果表明在正入射时,菲波纳契序列一维光子晶体中的禁带宽度、中心位置、数目都与构成序列的项数、组元物理厚度、组成序列组元初始次序、组元折射率差值都对传输特性有较大影响,在可见光区组元折射率差值越大越易形成较宽禁带,进一步研究广义菲波纳契序列一维光子晶体纳米膜的传输特性,发现比典型情况更易在可见光区形成禁带.     

2维光子晶体中的掺杂效应数值研究

 把平面波展开方法(PWM)用于2维光子晶体掺杂情况下透射特性的研究，计算得到了粗细不同的空气柱掺杂、相同半径不同介质柱掺杂、不同柱体形状掺杂情况下2维光子晶体的透射系数与入射光频率的关系曲线。结果表明2维光子晶体的禁带的宽度、位置、透过率与掺杂体半径、掺杂体介电常数、掺杂体柱体几何形状等因素有关，掺杂因素相差越大透射曲线变化越明显，特别是损耗介质的掺入更使得禁带可调要素增加。     

在高频区存在巨带隙的长方晶格二维光子晶体

本文利用降低光子晶体的对称性来提高绝对禁带宽度, 提出两种长方结构长方介质柱二维光子晶体, 用快速平面波展开法研究其高频区的带结构.经参数优化发现, 长方晶格包含一套介质柱时, 最大绝对禁带宽度Δω为0.1265ωe（ωe=2πc/a, a为晶格常数, c为光速）, 绝对禁带中心频率ωmid为1.9256ωe, Δω/ωmid=6.6%; 当长方晶格包含两套介质柱时, 最大绝对禁带宽度为0.203ωe, 绝对禁带中心频率为1.8597ωe, Δω/ωmid=10.9%.     

禁带理论应用于溶液浓度检测的研究

利用平面波展开法针对三角晶格二维光子晶体的禁带结构进行了数值模拟,研究了不同浓度的NaCl溶液和酒精溶液对光子带隙的影响。选用砷化镓为三角晶格光子晶体的背景材料,这两种溶液分别为三角晶格二维光子晶体的空气孔介质材料。当不同浓度和不同折射率的NaCl溶液和酒精溶液注入光子晶体中,TE模式不出现带隙,而TM模式出现宽度不同的五种带隙,为方便选取了最大禁带宽度为参考数据。     

不同参数对一维光子晶体透射谱的影响

利用传输矩阵法计算并分析了垂直入射下一维光子晶体的透射谱特性,数值模拟得到两种介质的折射率不变,入射波长减小时中心波长减小,禁带宽度变窄。当入射波长不变时,两种折射率比值变大时禁带宽度变大,实验结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

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.     

Larger absolute photonic band gap in two-dimensional air–silicon structures

We investigate different aspects of the absolute photonic band gap (PBG) formation for two-dimensional photonic crystals, consisting of air rods drilled into silicon. Specifically, square lattices of square and circular rods are considered. The lattice symmetry, shape and orientation of the rods affect the photonic gap parameters. A symmetry reduction by addition of a smaller different shaped rod into the center of the lattice unit cell can produce significantly larger band gap. Combining the symmetry reduction and rotation of the noncircular rods yields the greatest improvements in the size of absolute band gap. We discuss the maximization of the absolute PBG width as a function of lattice parameters and the practical fabrication feasibility of these optimized structures.     

大带隙二维三角格子光子晶体结构参数的优化设计

光子晶体结构设计优化是理论研究的一个重要内容.运用平面波展开法对圆柱、方柱及正六边柱构造的二维三角格子光子晶体的禁带进行仿真计算,讨论了介质材料分别为GaAs、Si和Ge情况下,柱子形状、旋转角度、填充比的变化对完全光子禁带的影响.发现:对于二维三角格子光子晶体,相对于介质柱,空气柱更易获得完全光子禁带;而相对于圆柱及...     

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     

Photonic amorphous diamond structure with a 3D photonic band gap

We report that a full three-dimensional (3D) photonic band gap (PBG) is formed in a photonic amorphous structure in spite of complete lack of lattice periodicity. It is numerically shown that the structure "photonic amorphous diamond" possesses a sizable 3D PBG (18% of the center frequency for Si-air dielectric contrast) and that it can confine light at a defect as strongly as conventional photonic crystals can. These findings present important new insight into the origin of 3D PBG formation and open new possibilities in developing 3D PBG materials.     

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。     

Study of s-polarized photonic bandgap structure in three component optical fibonacci multilayers composed of nanoscale materials

In this communication dispersion relation, reflection and transmission coefficient for quasiperiodic optical multilayers arranged according to the three-component Fibonacci rule is derived using transfer matrix method. In this work Fibonacci multilayers using three different photonic band gap (PBG) materials is designed and its photonic band gap structure is presented. Also, a detailed calculation for allowed and forbidden frequency bands for s-polarized radiation of light incident on these structures at various angles is presented. It is demonstrated that in case of s-polarized mode of radiation, widening in the band gap and frequency shifts occur as one moves towards the higher frequency region, which shows that such a multilayer can be used as an efficient polarizer. The effect of an imaginary value for the propagation vector Q on the existence of forbidden photonic bands in these lattices is also studied.     

Second Harmonic Generation in 1D Nonlinear Plasma Photonic Crystals

In this paper, a 1D nonlinear plasma photonic crystal (NPPC) structure composed of polarized ferroelectric crystals and nonlinear plasma periodic alternation is proposed. The transfer matrix method is employed to analyze the second harmonic generation (SHG) problem of this structure. In the designed NPPCs, the fundamental wave (FW) operates in the gigahertz (GHz) band and the nonlinear plasma is controlled by an external high-intensity control wave (CW). Numerical simulations are performed to investigate the effects of different incident angles and external CW intensities on the total conversion efficiency (T-con) of the second harmonic wave (SHW). Additionally, the internal electric field distribution and incident light intensity within the nonlinear structure are analyzed. The importance of the relationship between the FW frequency and photonic band gap (PBG) in enhancing SHG is summarized. The results demonstrate that the optimal structure can be obtained by changing the structural parameters, such that the FW and SHW are tuned to the edge of the PBG. At this point, the electromagnetic field density is large, the group velocity is small, the local field is enhanced, and the nonlinear optical interaction is increased, resulting in a significant increase in the T-con of the SHW.     

通信波段硅基气孔光子晶体的带隙特性及其物理模型研究

用平面波展开法对硅背景下的通信波段不同晶格类型和气孔形状光子晶体的能带结构进行数值计算与分析,提出了相应的物理模型.结果表明:利用光子受限效应和晶格对称性效应可以有效地调控光子带隙.随光子晶体填充率的增加,其约束光子的能力增强,光子带隙在一定范围内展宽且其中心频率蓝移;带隙随晶格对称性增加而变宽.对基元形状和旋转角度的研究发现,光子带隙随基元旋转角度变化具有周期性和对称性,表现出各向异性,由此优化出对应的不同晶格的最佳谐振腔型结构.     

正方介质柱光子晶体中异常传输现象研究

研究了电磁波在二维正方介质柱光子晶体中的传输,发现处于第一频带部分带隙的电磁波在不同界面切割方向上不同角度入射时可分别产生全反射及复杂异常折射现象如自准直现象、负折射现象.首先利用平面波展开法从理论上研究正方介质柱正方晶格光子晶体的频带结构及等频线,然后通过时域有限差分法来仿真研究光子晶体在第一频带部分带隙的传输特性.当光子晶体的界面切割沿着ΓX方向时,由于光子晶体内无本征模能够被有效地激发,入射波束被完全反射,这与光子带隙导致的全反射具有本质的不同;当光子晶体的界面切割方向沿着ΓM时,归因于其扁平的等频线,一定角度范围内入射的波束在光子晶体内几乎沿同方向传输即产生自准直现象.