具有复介电常量一维光子晶体的特性研究

利用传输矩阵法计算了一维光子晶体的能带结构和光传输特性,重点讨论了介电常量的虚部为负值时对传输特性的影响。当在介质中掺入具有增益特性的介质时,靠近光子带隙边缘就会出现较强的受激辐射放大。同时,光子晶体的长度和介电常量虚部的大小都会影响晶体的受激辐射。随着虚部数值的增加,受激增强并不是单调递增,而是存在一极值点。     

复介电常量双缺陷层的镜像对称光子晶体特性

利用传输矩阵法研究了两个复介电常量缺陷层镜像对称一维光子晶体的带隙结构和光传输特性。重点讨论了缺陷层的复介电常量的虚部为负值且光学厚度为λ0/4的情形时对传输特性的影响。研究发现:当在光子晶体的两端加入具有负虚部的复介电常量缺陷层后,多处出现了较强的透射峰增益。随着缺陷层复介电常量的虚部与实部比值的增加,各处透射峰增益变化规律不同。但中心波长处的缺陷膜的位置和高度不变。这为光子晶体同时实现多通道超窄带滤波器和不同放大倍数的光放大微器件的设计提供了理论基础。而在光子晶体的两端加入具有正虚部的复介电常量缺陷层后,各透射峰都出现了吸收现象,且随着其正虚部值I的增加,吸收越明显,这给光子晶体实现放大功能提供了理论指导。     

具有复介电常量二维光子晶体的特性研究

采用平面波展开法,通过数值模拟研究了具有复介电常量的二维光子晶体的能带结构和光传输特性,重点讨论介电常量的虚部为负值情形时对传输特性的影响。研究表明由于光子带隙的存在有效地抑制了频率位于带隙内光的自发辐射。当在介质中掺入具有增益特性的杂质时,即使两种介质的介电常量相差很小,在靠近光子带隙边缘,出现了较强的受激辐射放大。通常在带隙的边缘处,光子晶体的群速度较小,而激光阈值正比于群速度的平方,当群速度很小时,激光阈值将大大减小。这为实现零阈值激光器提供了基础,也为制作光放大微器件提供了一个有益的理论参考。     

含复介电常量一维光子晶体量子阱结构研究

利用传输矩阵法研究了实介电常量和含复介电常量时一维光子晶体的透射谱.结果表明:两种情况下均构成光量子阱结构,并且光量子阱结构的透射能带谱位置和结构相同,但在含复介电常量负虚部情况下共振透射峰出现很强的增益现象,而在含复介电常量正虚部情况下共振透射峰则呈现明显的衰减现象.     

含复介电常量一维光子晶体量子阱结构研究

利用传输矩阵法研究了实介电常量和含复介电常量时一维光子晶体的透射谱.结果表明：两种情况下均构成光量子阱结构,并且光量子阱结构的透射能带谱位置和结构相同,但在含复介电常量负虚部情况下共振透射峰出现很强的增益现象,而在含复介电常量正虚部情况下共振透射峰则呈现明显的衰减现象.     

具有缺陷结构的三角形二维光子晶体结构参量对本征模的影响

通过有限元数值计算得到并图示了具有缺陷结构三角形二维光子晶体本征频率和介质柱半径、晶格常量以及介质柱介电常量之间的关系.利用这些关系可以在一定的范围内增大介质柱半径而相应减小介质柱介电常量,而本征频率基本保持不变.由于光子晶体结构参量的不同,本征模对应的电磁场在晶体中的分布也不同,图示了电场强度的大小在一些结构中的分布.由此可以掌握光子晶体结构参量对缺陷本征模的影响.     

基于传输线技术的零平均折射率(zero-n-)带隙的实验研究

基于传输线方法,制备了含左手材料和右手材料的一维光子晶体.通过仿真软件ADS的模拟和矢量网络分析仪的测量,研究了光子晶体的传输特性.实验结果表明:由左手材料和右手材料构成的一维光子晶体具有零平均折射率(zero-n-)带隙,这一带隙处于左手通带和右手通带之间.zero-n-带隙分别由零平均介电常量和零平均磁导率决定,进而对晶格尺度不敏感.     

基于传输线技术的零平均折射率(zero-)带隙的实验研究

基于传输线方法,制备了含左手材料和右手材料的一维光子晶体.通过仿真软件ADS的模拟和矢量网络分析仪的测量,研究了光子晶体的传输特性.实验结果表明:由左手材料和右手材料构成的一维光子晶体具有零平均折射率(zero-)带隙,这一带隙处于左手通带和右手通带之间.zero-带隙分别由零平均介电常量和零平均磁导率决定,进而对晶格尺度不敏感.     

对全入射角负折射二维光子晶体结构和电磁参量的研究

利用二维光子晶体的等频线分析原理和平面波展开方法,得到了使二维光子晶体产生全入射角负折射(All-Angle Negative Refraction,AANR)现象时,入射电磁波的频率取值范围.同时,分析了AANR频率范围随着结构参量(晶格类型、介质棒半径与晶格周期的比值)和电磁参量(介质柱介电常量、本底介电常量、入射电磁波偏振方向)变化的行为.结果表明:固定组成光子晶体的一种介质的介电常量,另一介质的介电常量只有达到一定阈值,才有可能使光子晶体出现AANR现象.在给定两种介质介电常量的条件下,存在使AANR频率范围最大化的结构参量和电磁参量.     

含双曲超构材料的复合周期结构的带隙调控及应用

等频面的拓扑结构强烈影响光在材料中的行为.通常组成光子晶体原胞的材料都是介电材料,其等频面都具有相同的封闭拓扑结构.结构最为简单的光子晶体是由两种介电材料交替组成的一维光子晶体.然而,这种传统的光子晶体在横磁和横电偏振下的光子带隙将随着入射角的增大而向短波方向移动,既不利于全向带隙的产生与展宽,又使得基于光子带隙的一些应用限制在很窄的入射角度范围内.本综述利用双曲超构材料对电磁波相位的独特调控作用,在由具有开放的等频面的双曲超构材料和具有封闭的等频面的普通介电材料交替组成的复合周期结构中实现了随入射角零移以及红移的特殊带隙,为研制具有新型功能的光学器件提供了新机理.基于零移带隙,可设计具有固定带宽的全向反射器和宽角度的近完美光吸收器.基于红移带隙,可设计宽角度的偏振选择器和超灵敏折射率传感器.     

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.     

Photonic band structure of one-dimensional metal/dielectric structures calculated by the plane-wave expansion method

The plane-wave expansion(PWE) method is employed to calculate the photonic band structures of metal/dielectric(M/D) periodic systems. We consider a one-dimensional(1D) M/D superlattice with a metal layer characterized by a frequency-dependent dielectric function. To calculate the photonic band of such a system, we propose a new method and thus avoid solving the nonlinear eigenvalue equations. We obtained the frequency dispersions and the energy distributions of eigen-modes of 1D superlattices. This general method is applicable to calculate the photonic band of a broad class of physical systems, e.g. 2D and 3D M/D photonic crystals. For comparison, we present a simple introduction of the finite-difference(FD) method to calculate the same system, and the agreement turns out to be good. But the FD method cannot be applied to the TM modes of the M/D superlattice.     

PBG properties of three-component 2D photonic crystals

In this paper we analyze theoretically how the introduction of the third component into the two-dimensional photonic crystal influences the photonic band structure and the density-of-states of the system. We consider the periodic array of cylindrical air rods in a dielectric, and the third medium is introduced as a ring-shaped intermediate layer of thickness d and dielectric constant _i between the air pores and the dielectric background. Using the plane wave method, we have obtained the band structures for the 2D triangular lattice photonic crystals. The dependencies of TE and TM band gaps’ widths and gaps’ edges position on the interlayer dielectric constant and interlayer thickness were analyzed. In the framework of this approach, we have estimated the influence of the surface oxide layer on the band structure of macroporous silicon. We observed the shift of the gaps’ edges to the higher or lower frequencies, depending on the interlayer thickness and dielectric constant. We have shown that the existence of a native oxide surface layer should be taken into consideration to understand the optical properties of 2D photonic crystals, particularly in macroporous silicon structures.     

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.     

磁导率对二维蜂窝结构光子晶体带隙的影响

利用平面波展开法对二维六角晶格结构磁性光子晶体的带隙特性进行了研究，给出其能带结构分布图，并与非磁性介质构成的光子晶体进行了比较.结果表明，由磁性材料构成的光子晶体更易出现带隙，磁导率对带隙结构影响很大.空气背景磁性散射子情况，磁导率增加较小时，二个绝对光子带隙宽度逐渐减小，直至消失.继续增加磁导率，在较低频率范围内出现一个绝对光子带隙，占空比逐渐加大，且最佳填充系数基本保持不变.磁性背景空气散射子，类似地在较低频率范围内也出现了一个绝对光子带隙.磁性背景非磁性散射子与空气背景磁性散射子情况相似.     

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。     

三维光子晶体典型结构完全禁带的最佳参数理论分析

基于平面波展开法，理论分析了晶格结构、填充率、介电常数比等因素对fcc，diamond，woodpile三种三维光子晶体典型结构完全禁带的影响.三种结构中，fcc结构由于高对称性导致的能级简并，只适用于密堆积排列的反蛋白石结构；diamond结构非常容易产生高带隙率的完全禁带，并且可以通过调节多项参数得到所需的完全禁带；woodpile结构参数调节范围比较宽，为实验制备带来方便.对于不同的三维光子晶体结构，随着介电常数比的增大，完全禁带的宽度和带隙率也会随着增大.还发现了一些以前未引起注意的现象. 关键词： 三维光子晶体 完全禁带 介电常数比 带隙率 平面波展开法     

Band gaps structure and semi-Dirac point of two-dimensional function photonic crystals

Two-dimensional function photonic crystals, in which the dielectric constants of medium columns are the functions of space coordinates , are proposed and studied numerically. The band gaps structures of the photonic crystals for TE and TM waves are different from the two-dimensional conventional photonic crystals. Some absolute band gaps and semiDirac points are found. When the medium column radius and the function form of the dielectric constant are modulated, the numbers, width, and position of band gaps are changed, and the semi-Dirac point can either occur or disappear. Therefore,the special band gaps structures and semi-Dirac points can be achieved through the modulation on the two-dimensional function photonic crystals. The results will provide a new design method of optical devices based on the two-dimensional function photonic crystals.