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。     

非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性研究

用时域有限差分法（Finite-Different Time-Domain,FDTD）中的电流密度卷积（Current Density Convolution,JEC）算法讨论了一维非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性,分析了非磁化等离子光子晶体的周期结构和等离子体参量对其禁带周期的影响.以微分高斯脉冲为激励源,用电磁波通过非磁化等离子体光子晶体后所得的透射系数来讨论非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性.结果表明,通过改变参量可以获得不同的禁带周期特性.     

非线性一维光子晶体特性的动态调制

对含有非线性材料的一维光子晶体带隙结构进行了数值计算.在外部入射光强调制下,非线性缺陷层折射率的改变会引起禁带内缺陷模的移动,而光子晶体禁带位置与宽度基本保持不变；若基本周期层取非线性材料,随入射光强的改变,禁带内部缺陷模发生相同的移动,同时,禁带位置和禁带宽度也会发生移动.利用这一性质可以对光子晶体进行动态外部调制,在此基础上对非线性一维光子晶体动态滤波选频进行了实验设计.     

二维光子晶体介观温光效应的研究

低维和介观物理系统的研究是凝聚态物理学中的重要研究方向,我们以二维三角晶格介质柱型光子晶体为研究对象,利用时域有限差分的方法,分析了其介观温光效应的影响:由于温度改变导致晶体介质的折射率和厚度发生变化,继而对光子禁带产生影响.结果表明:当晶体所处环境温度升高时,光子禁带发生整体平移(波长大的方向),禁带宽度变窄,禁带中心波长与温度变化存在线性关系,引入介观温光系数来描述该线性变化,得到理论数值γ=0.336nm/℃,这为二维光子晶体基光学器件的制备和使用提供了理论参考.     

利用叠层一维光子晶体调控半透明有机太阳能电池的性能

利用叠层一维光子晶体提高半透明有机太阳能电池的光电转换效率和调控器件的透视颜色.采用传输矩阵法计算了基于叠层一维光子晶体的半透明有机太阳能电池中活性层的吸收光谱和器件的透过率光谱,进而计算了器件的光电转换效率和透视颜色.研究结果表明,通过合理设计叠层一维光子晶体中顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以将器件的光电转换效率提高24.4%.此外,通过控制顶光子晶体和底光子晶体的禁带中心波长,可以调控半透明有机太阳能电池的透视颜色,获得透视颜色分别为蓝色、绿色和红色的半透明电池器件.与单层一维光子晶体相比,叠层一维光子晶体可以使器件获得更高的光电转换效率,并能在更大光谱范围内调控器件的透视颜色.     

TM模式下二维非磁化等离子体光子晶体的禁带调制特性分析

采用时域有限差分法(FDTD)中的分段线性电流密度卷积(PLCDRC)算法研究了TM波入射时二维非磁化等离子体光子晶体的禁带特性.从频域角度分析得到微分高斯脉冲的透射系数,并讨论该光子晶体的介质圆柱的介电常数、晶格常数、介质圆柱半径,周期常数和等离子体参数对其禁带特性的影响.结果表明,增加周期常数和等离子体碰撞频率不会改变禁带宽度,增加介质圆柱的相对介电常数和等离子体频率可以展宽禁带的宽度. 当填充率一定时,减小介质圆柱的半径和晶格常数可以实现禁带的拓展. 关键词： 等离子体 光子晶体 禁带 PLCDRC算法     

利用二维光子晶体提高波的耦合效率

通过多重散射方法数值模拟研究和实验测量表明利用二维光子晶体可以提高波的耦合效率.研究发现,高的波耦合效率通常发生在光子禁带的边沿和其它非禁带区的某些频率处.当光子晶体的晶格常数接近于所传输的波的波长时,会出现很高耦合效率的共振耦合现象.利用二维光子晶体的情况下的波耦合效率最高可以达到不利用二维光子晶体时的1.89倍.这种现象在光集成器件中尤其有用.     

一维光子晶体的电磁波理论及实现方法

对一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,给出了光子晶体中的禁带存在的理论依据,并以此分析了禁带的特征.同时,对一维光子晶体的光学理论做了阐释,并应用于一维光子晶体的设计实践.列举了两个多层周期介质膜的禁带特性.最后对光子晶体的应用和制造前景做了展望.     

光学厚度对一维三元光子晶体禁带特性的影响

运用光学传输矩阵理论,研究了一维三元光子晶体的禁带特性.数值模拟结果表明：最高折射率和最低折射率介质的光学厚度明显地影响其绝对禁带宽度,而较高折射率介质的光学厚度对其相对禁带宽度影响较大.与二元光子晶体相比,三元光子晶体的绝对带宽和相对带宽都远远大于二元光子晶体.     

两端有慢变结构的光子晶体的能带特性研究

研究了几种两端有慢变周期结构的光子晶体的能带特性，研究发现，通过在普能光子晶体两端添加适当的慢变周期结构，可以使光子晶体的光子禁带区向短波区或向长波区扩展，也可以同时向短波和长波两个区域扩展，与普通结构的光子晶体的光子禁带宽度相比，可以获得400％以上的禁带区宽度的拓展。     

含特异材料一维超导光子晶体的带隙特性研究

利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性. 研究表明, 这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙, 且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽. 但在一定的结构参数下, 这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙. 还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究. 关键词： 超导光子晶体 传输矩阵法 特异材料 光子带隙     

光控二维光子晶体光开关

提出了一种调节液晶光子晶体光子带隙的方法。二维三角介质柱形光子晶体位于2块熔凝石英片之间,在介质柱之间填充各向同性排列的液晶,受偏振紫外光照射后,光诱导液晶分子定向排列,通过光诱导液晶分子取向改变液晶的折射率。数值模拟结果表明：通过外界光场控制所填充的向列相液晶分子的方向可以对这种二维三角形介质柱光子晶体的禁带结构进行调节。该可调光子晶体可控制波导中TM模和TE模的选择性传输,因而可应用于制作全光光开关。     

渐变折射率光量子阱对束缚态能级的调整

在对称的均匀电介质材料光子晶体体系中插入另一折射率渐变的光子晶体可构成光量子阱结构.利用时域有限差分法计算了不同折射率分布光量子阱结构的传输谱.研究表明：束缚态是对处于垒光子晶体禁带中的阱光子晶体导通带的离散化,束缚态能级个数等于阱光子晶体结构单元的重复周期数；以渐变方式调整阱区折射率分布,可在特定频率范围内得到新的互不交叠的束缚态.这样在有限的禁带区域可以成倍增加光子束缚态而无需增大光量子阱结构的尺寸,使信道密度最大化、光波有效带宽的使用最优化.这种量子阱结构可用于制作超窄带滤波器和多通道窄带滤波器,有望在光通信超密集波分复用和光学精密测量技术中获得广泛应用. 关键词： 光量子阱 光子束缚态 渐变折射率 光子晶体     

Photonic band gap failure in photonic crystal devices

The photonic crystal is an artificial material with periodic dielectric constant and the key factor to preserve their band features is its periodicity. When the number of periods of photonic crystal is decreased the photonic band gap cannot prevent the light of the corresponding frequencies from propagating in photonic crystal, in another word, photonic band gap will be failure. The minimum periods of photonic crystal device which can keep photonic band gap effective in miniaturization process is analyzed, the transmittance spectrum is calculated by the Finite-difference time-domain algorithm (FDTD) [1], the minimum periods is got in the simulation and the reason which affects the minimum periods is analyzed in this paper.     

Photonic band structure calculations for metal-clad two-dimensional photonic crystal slab

We study the effect of metallic cladding on the band structure of a two-dimensional photonic crystal slab. Band structures of a honeycomb patterned two-dimensional photonic crystal slab, with/without a metal-clad or a perfect conductor clad, are calculated using both the finite-difference time-domain (FDTD) method and the plane wave expansion (PWE) method. We explain the changes of the band structure due to cladding. We also show that the band structure of a metal-clad photonic crystal can be obtained effectively from the odd modes of the air bridge type dielectric photonic crystal slab, thicker than the metal-clad photonic crystal by a factor larger than two.     

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.     

Special control of the cutoff frequencies in a 2D photonic crystal coupled-cavity waveguide

We show theoretically that the upper and lower cutoff frequencies of the guided band in a 2D photonic crystal coupled-cavity waveguide can be controlled independently or synchronously by changing two configuration parameters of the waveguide simultaneously. The independent control range for the lower and upper cutoff frequencies can be as large as 68.6% and 67.9% of photonic band gap, respectively. The two cutoff frequencies can also be tuned in the same direction over equal distances up to 25.7% of photonic band gap. These results offer an efficient way for designing the various dispersion relations for photonic crystal waveguides.     

外磁场作用下一维光子晶体的光传输特性

采用光学传输矩阵方法,研究了外磁场作用下一维光子晶体的光传输特性.在外磁场作用下,介质介电函数在回旋频率ω.附近受到强烈的调制,使组分材料的色散关系发生明显改变,导致光子晶体的能带发生变化,透射谱出现复杂结构.在光子带隙中出现窄通带,窄带中的光是局域的.这表明,在不改变光子晶体组分材料的条件下,可以通过改变外磁场的大小,调制光子晶体的能带及其光传输性质.     

光子晶体超窄带滤波器

本文利用光学传输矩阵法研究了一种类似于谐振腔结构的光子晶体.研究发现在这种光子晶体的光子带隙的中央存在一个极窄的透光窗口,窗口的宽度在红外波段1500nm附近可以做到0.0001nm以下,窗口内的透光率峰值可以接近100%,窗口以外的区域的透光率可以做到0.01%以下.通过改变所研究结构中的周期厚度、中间夹层厚度、两边光子晶体的周期重复数和波的入射角可以改变窄带透过窗口的位置和窄带的宽度.这种光子晶体可以用来制作超窄带滤波器,有望在光通信超密度波分复用技术和光学信息精密测量技术当中获得应用.