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。     

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     

铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体的完全光子带隙

采用平面波展开法,研究铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体的完全带隙随结构参量变化的规律.研究表明:铜币形散射子结合了空气孔型和介质柱型两种光子晶体的优点,有利于获得更宽的完全带隙.该光子晶体大完全带隙对由制备工艺上引起的材料掺杂和空气孔半径的偏离具有一定的稳定性.为了获得完全带隙,组成光子晶体的两种介质要有足够大的介电常数对比度,铜币形空气孔二维三角晶格光子晶体在ε=11.8时出现完全带隙.对参量分组优化发现,在ε=22.75,R=0.483μm,d=0.195μm,φ=90°,G=1.3时,完全带隙的宽度Δωa/2πc获得最大值0.136 1,带隙率为33.55%     

二维斜三角晶格光子晶体完全带隙研究

在二维正三角晶格光子晶体的基础上,通过改变晶体的晶格基矢构造了一种全新的周期结构。该周期结构的最小周期单元不再是传统意义上的等边三角形,而是一种更为优化的斜三角形结构。利用平面波展开法理论模拟了二维斜三角晶格光子晶体完全带隙的情况,发现所设计结构的完全带隙宽度是二维正三角晶格光子晶体完全带隙宽度的4.3 2倍。分析了介质柱宽度,介质柱旋转角度以及相对介电常数对所构造结构的完全带隙的影响,所得结果对二维光子晶体的理论研究和实际应用有所帮助。为任意角度的二维光子晶体集成波导的研究和制作提供了理论基础。     

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%。     

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。     

基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究

采用平面波展开法研究了四种二维光子晶体结构(圆柱介质柱四方晶格、圆柱介质柱三角晶格、正方介质柱四方晶格、正方介质柱三角晶格)的带隙宽度随介质柱尺寸变化的关系.使用平面波展开法计算常规晶格和表面缺陷晶格的模式并进行结果叠加,研究了各结构的二维光子晶体在带隙宽度最大时的表面模式.结果表明,同种晶格的光子晶体带隙宽度随着介质柱的尺寸增大呈先增后减趋势,存在最大值.随着表面介质柱尺寸的增加,四种晶格表面模式曲线均呈下降趋势.四方晶格光子晶体与三角晶格相比,表面介质柱尺寸的变化范围更大,但能获取表面模式频率范围较小.     

基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究

采用平面波展开法研究了四种二维光子晶体结构(圆柱介质柱四方晶格、圆柱介质柱三角晶格、正方介质柱四方晶格、正方介质柱三角晶格)的带隙宽度随介质柱尺寸变化的关系.使用平面波展开法计算常规晶格和表面缺陷晶格的模式并进行结果叠加,研究了各结构的二维光子晶体在带隙宽度最大时的表面模式.结果表明,同种晶格的光子晶体带隙宽度随着介质柱的尺寸增大呈先增后减趋势,存在最大值.随着表面介质柱尺寸的增加,四种晶格表面模式曲线均呈下降趋势.四方晶格光子晶体与三角晶格相比,表面介质柱尺寸的变化范围更大,但能获取表面模式频率范围较小.     

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。     

二维三角格子光子晶体的带隙结构

用平面波展开法对二维光子晶体的电磁波理论及周期排列的电介质中电磁波的Bloch波解进行了详细的推导,计算出以GaAs为背景的空气柱构成的二维三角格子光子晶体的能带结构,研究了H偏振和E偏振带隙宽度随填充比f的变化.计算结果表明,当f=0.8时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,带隙位于0.458-0.529ωe(ωe=2πc/a,a为晶格常数,c为光速),带隙宽度为0.071ωe,相应的带隙波长范围为472.6-545.9nm,处于可见光波段.     

六角格子光子晶体带隙特性

应用平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟空气圆柱半径与晶格常数的比值变化时,TE模和TM模禁带特性,得出六角晶格光子晶体具有较大的TE模和TM模光子禁带带隙,并且具有较高的带隙宽度重合范围。结果为光子晶体器件的制作提供理论依据。     

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...     

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。     

Suzuki晶格光子晶体的光子带结构

系统地研究了Suzuki晶格光子晶体能带结构,包括介质中周期排列的空气孔光子晶体和空气中周期排列的介质柱光子晶体。采用平面波展开法计算了空气孔和介质柱半径及折射率对光子带隙的影响。结果发现介质中周期排列的空气孔光子晶体主要形成TM模光子禁带,空气中周期排列的介质柱光子晶体主要形成TE模光子禁带,只有介质折射率较大时两类光子晶体才能够形成完全带隙。介质中周期排列的空气孔光子晶体能带结构中沿Г-X1和X1-M方向出现了群速度接近于零的色散曲线,而在另一类光子晶体中并未出现这种情况,在其它晶格类型的光子晶体中也未发现这种情况。     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。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,三角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在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

光子晶体空气孔中质量分数对其禁带宽度影响的仿真分析

为了掌握光子晶体空气孔中液体质量分数对禁带宽度的影响,利用平面波展开法研究了由椭圆形空气孔介质周期性排列的长方晶格光子晶体在不同偏振模式下的禁带宽度。数值模拟显示:溶液的质量分数变化与光子晶体带隙宽度或输出功率变化接近线性关系,而线性相关程度受填充空气孔内液体质量分数的影响。进行了多组参数比对与优化,最终获得了线性度最高的禁带宽度和输出功率与溶液质量分数的对应关系。基于这个对应关系,提出了基于光子晶体带隙宽度测量的溶液质量分数检测方法。该方法可被应用于各蛋白质聚集探测、快速检测气体或液体质量分数、DNA检测等领域。     

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.     

光子晶体能态密度的电磁场特性

基于时域有限差分法,以半导体材料CdSe和CdTe构成二维三角晶格光子晶体,数值模拟了它们的光子晶体能态密度电磁场特性。结果表明,CdSe和CdTe构成二维三角晶格光子晶体具有较好的光子带隙,形成的带隙宽度随介电常数差值的增大而增大。研究结果为光子晶体器件的开发提供参考。     

二维光子晶体禁带特性研究

采用平面波展开法对二维光子晶体分别在E和H极化下的带隙进行了计算. 考虑了填充比、晶格结构、介电常数对最大绝对帯隙的影响. 结果表明,不论是正方晶格还是三角晶格,TM模在介质柱型光子晶体中更容易形成带隙;TE模在空气孔型光子晶体中更容易形成带隙. 填充比一定,最大绝对帯隙宽度并非随着介电常数增大总是增大,而是存在一个峰值. 相对介电常数一定,最大绝对帯隙宽度随填充比的变化也存在一个峰值. 不论空气孔型还是介质柱型结构,三角晶格比正方晶格更容易形成帯隙. 关键词： 平面波展开法 TE模 TM模 最大绝对帯隙     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.