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。     

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.     

一维光子晶体缺陷模的偏振特性研究

利用周期结构的布洛赫定理推导了一维无限光子晶体缺陷模方程,研究了缺陷模的偏振特性,以及在不同入射角和缺陷层厚度下缺陷模位置的变化.利用传输矩阵方法对有限周期数光子晶体也进行了研究,分别对应一维无限光子晶体和有限周期数光子晶体给出了数值计算结果.通过比较这两者的数值结果得出了缺陷模随入射角和缺陷层厚度变化的一般规律.     

硅基薄膜太阳电池一维光子晶体背反射器的模拟设计与制备

从模拟和实验两个方面研究了一种适用于硅基薄膜太阳电池的一维光子晶体新型背反射器.首先采用时域有限差分方法,模拟研究了组成一维光子晶体的两种介质的折射率比、厚度比以及周期厚度对光子禁带的影响.基于模拟结果,制备出一种由低折射率SiOx层与高折射率非晶硅a-Si层周期性交叠构成的禁带可调式一维光子晶体背反射器.通过改变a-Si层的厚度,使得禁带范围由500—750 nm波长范围红移至650—1100 nm,反射率分别达到96.4%和99%.将上述结构的一维光子晶体作为背反射器分别应用于非晶硅单结太阳电池和非晶硅/微晶硅双结叠层太阳电池,与没有背反射结构电池相比,短路电流密度分别提升了18.3%和15.2%.同时模拟研究了在不同入射角度下自然光、TE波和TM波对光子晶体反射特性的影响.研究结果表明,在太阳电池中,光线倾斜入射对一维光子晶体反射率的影响有限.     

一维光子晶体非线性色散特性的分析

从无限周期一维光子晶体的色散关系和有限周期光子晶体的透射系数两个方面,对有限和无限周期光子晶体有效折射率的实部和虚部特性曲线分别进行了计算和分析.结果表明一维光子晶体的色散曲线与弹性电偶极子的经典色散曲线类似,在光子晶体的导带为正常色散,而在禁带呈现反常色散.并且用简约布里渊和扩展布里渊区色散曲线对文献报道中存在的两种矛盾的计算结果进行了理论的探讨.解释了导致对一维光子晶体有效折射率计算存在两种不同结果的原因.     

基于一维光子晶体的新型背反射器及其在非晶硅薄膜太阳电池中的应用

本文研究制备一种由低折射率的SiOx层与高折射率的a-Si层周期性交叠构成的新型一维光子晶体(1D PC)背反射器.研究结果表明,随着SiOx/a-Si交叠周期数的增加,一维光子晶体的反射率逐步提高.当周期数大于3时,在空气中500—750 nm波长范围的平均反射率达到96%.将该一维光子晶体作为背反射器应用于NIP型非晶硅电池(电池结构为玻璃/1D PC/AZO/NIP a-Si:H/ITO),当光子晶体周期为4时,效率达到7.9%,略优于传统的AZO/Ag背反射电极结构电池(7.7%),明显高于不锈钢衬底电池(6.9%),相对效率提升14.5%.     

紫外线波段一维Ag/MgF_2光子特性的理论研究

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型,以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响,并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明,与其他金属光子晶体的研究结果相比,该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙,属于不完全带隙的一维光子晶体,适用于制作紫外线波段的光学反射镜。     

半无限一维光子晶体的反射率

本文给出了入射到半无限光子晶体上的波的反射系数计算公式.对由普通材料、双负材料和单负材料组成的一维半无限光子晶体中光的反射进行了数值模拟计算.发现半无限光子晶体的反射率曲线与有限光子晶体相比变得平滑,是有限光子晶体迅速振荡的反射率平均的结果.TE波的反射取决于介电常数的差异,而TM波的反射取决于磁导率的差异.单负-单负材料中的场是倏逝场,存在一个通带使场无位相延迟的传播.当满足eB=-εA,μB=-μA和dA=dB条件时反射率变为零.     

一维等离子体光子晶体的带隙研究

采用时域有限差分方法(FDTD),结合等离子体计算中的分段线性电流密度卷积技术(PLJERC)对一维等离子体光子晶体(1D-PPC)进行了数值模拟,给出了微分高斯脉冲在一维等离子体光子晶体中的传播过程。计算得到的带隙结构与K-P模型方法的结果一致。计算并分析了等离子体频率、介质介电常数、等离子体-介质层的厚度比以及周期厚度对一维等离子体光子晶体带隙结构的影响。     

一维无序结构光子晶体的能带特性研究

通过引入结构参数a，深入研究了具有无序结构的一维二元光子晶体的能带特性。研究发现，无序结构有效拓宽了光子带隙，与均匀结构相比，拓宽率达到200％以上；无序一维光子晶体表现出从可见到红外很宽区域的高反射特性。本文还计算和分析了入射角和无序度D对光子晶体带隙的影响。     

III–V based-semiconductor photonic crystals

Three-dimensional (3D) and two-dimensional (2D) photonic crystals based on III–V semiconductors are described. On the 3D photonic crystals, the development of complete photonic crystals at optical wavelengths and their applications to ultrasmall optical integrated circuits including 3D sharp bend waveguide are described. On the 2D photonic crystals, two-unique device and/or phenomena are demonstrated.     

Numerical study on characteristic of two-dimensional metal/dielectric photonic crystals

An improved plan-wave expansion method is adopted to theoretically study the photonic band diagrams of twodimensional(2D) metal/dielectric photonic crystals.Based on the photonic band structures,the dependence of flat bands and photonic bandgaps on two parameters(dielectric constant and filling factor) are investigated for two types of 2D metal/dielectric(M/D) photonic crystals,hole and cylinder photonic crystals.The simulation results show that band structures are affected greatly by these two parameters.Flat bands and bandgaps can be easily obtained by tuning these parameters and the bandgap width may reach to the maximum at certain parameters.It is worth noting that the hole-type photonic crystals show more bandgaps than the corresponding cylinder ones,and the frequency ranges of bandgaps also depend strongly on these parameters.Besides,the photonic crystals containing metallic medium can obtain more modulation of photonic bands,band gaps,and large effective refractive index,etc.than the dielectric/dielectric ones.According to the numerical results,the needs of optical devices for flat bands and bandgaps can be met by selecting the suitable geometry and material parameters.     

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...     

无规结构全角高反一维光子晶体的场强分布

因一维光子晶体的许多应用由其场强分布特性所决定，本文研究了无规全角高反一维光子晶体场强分布的性质，结果表明在带隙内,两者的场强分布无明显差别,但在研究各种应用和器件关系最密切的带隙边缘, 周期结构的场强分布只有对称性的一种；无规结构光子晶体的谱带边缘电场分布特性则完全可按应用要求进行设计和控制，为光子晶体器件设计提供了全新的思路. 关键词： 光子晶体 无规结构 光子能隙 全角高反 场强分布     

介质折射率对一维三元光子晶体带隙的影响

利用光学传输矩阵法,数值模拟了一维二元、三元光子晶体的带隙结构,得出:三元光子晶体的主带隙略宽于二元光子晶体的主带隙;三元光子晶体的主带隙主要取决于最高折射率的介质和最低折射率的介质,而与居于两者之间的介质关系不大,并作出了相应的关系曲线。最后推导了三元光子晶体的色散关系。     

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     

二氧化硅胶体球自组装光子晶体的研究

光子晶体由于具有光子带隙和光子局域等一系列优异的光学特性而受到了人们广泛的关注。由于采用胶体颗粒自组装法制备光子晶体制备工艺简单,所需要的费用也较低,因此已成为制备可见光至红外波段三维光子晶体的一种简便有效的方法。采用垂直沉积法制得了三维光子晶体薄膜,并用扫描电子显微镜和紫外-可见光-近红外分光光度计对其显微结构和光学特性进行了详细的研究。结果表明,自组装薄膜在三维方向上都具有有序结构,其密排面平行于载波片的表面。制备的光子晶体薄膜具有明显的光子带隙特性,带隙中心波长为956nm。研究了带隙中心波长同入射线与密排面法线夹角之间的变化关系,其结果与理论值吻合得很好。     

偏振态对复周期光子晶体禁带的影响

对于一维复周期光子晶体,当制作用的波长满足一定条件时可以实现禁带的展宽,本文利用传输矩阵法数值计算了偏振态对折射率渐变的一维复周期全息光子晶体的禁带的影响。通过计算发现,制作波长不等的复周期结构光子晶体,随着再现光的照射角度增大,S偏振态下禁带出现分裂;P偏振态下禁带均可视作完整展宽,没有分裂现象。同一制作波长两次曝光制作的复周期结构,不论是P偏振还是S偏振,禁带均实现展宽而没有分裂。这一结果对实现一维全息光子晶体禁带展宽具有指导意义。