二维介质柱型Archimedes(4,8~2)复式晶格光子晶体禁带特性研究

采用平面波展开法分别模拟了空气背景下由介质圆柱和方柱构造的二维Archimedes(4,82)复式晶格光子晶体的能带结构,讨论了介质柱形状、折射率、填充比和旋转对称性等因素对完全光子禁带的影响.研究发现,当折射率在2.60到5.40之间时,介质圆柱和方柱构造的二维Archimedes(4,82)复式晶格光子晶体都出现了完全光子禁带.随着折射率的增大,最大完全禁带宽度并非随之增大而是存在峰值,介质圆柱型晶格在折射率为2.80时出现峰值;介质方柱型晶格在折射率为2.80和4.40两处出现峰值,且旋转介质方柱能够明显增大禁带宽度,同时存在最佳旋转角度.分析结果表明,在最大完全禁带处,折射率、填充比以及旋转角度等因素的变化对禁带特性的影响很小.     

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...     

二维Kagome格子光子晶体禁带的数值模拟

采用平面波展开法模拟计算了由空气背景中的介质柱构成的二维Kagome格子光子晶体的能带结构，得到了使完全光子禁带最大化的结构参量.计算结果表明:由圆形、正六边形和正四边形三种不同形状锗介质柱构成的Kagome格子光子晶体都出现了完全光子禁带，最大禁带分别为Δ=0.014(ωa/2πc)、Δ=0.013(ωa/2πc)、Δ=0.011(ωa/2πc)发现由圆形和正六边形两种介质柱构成的Kagome格子光子晶体在填充比连续变化的较大的范围内都有宽度较为稳定的完全禁带，且它们具有非常相似的能带结构.     

二维正方光子晶体完全禁带与导波特性数值分析

以简单二维正方排列的光子品体为例,计算分析了完全禁带随介质填充率和介质折射率比变化出现的条件和规律,结果显示对两者同时进行调谐是获取完全禁带的最佳途径,选取晶格常数为0.7 μm,介质填充率0.5,介质折射率比为4时,在光子晶体中引人线缺陷后,对处于完全禁带中的波长为1.55μm的光显示良好的导波特性.     

基于太极形介质柱六角光子晶体禁带特性研究

提出了一种新型的非对称性散射体的二维六角晶格光子晶体结构–-太极形介质柱光子晶体. 利用平面波展开法从理论研究这种光子晶体结构的能带特性以及结构参数对完全禁带的影响. 研究表明:散射体对称性的打破, TE模和TM模能带宽度和数目都会有所增加, 有益于获得更宽的完全禁带以及更多条完全禁带.通过参数优化, 发现在ε = 17, R=0.38 μm, r=0.36R, θ = 0° 时, 获得最大完全带隙宽度0.0541(ωa/2πc); 在ε = 16, R=0.44, r=0.2R, θ = 0°时, 光子晶体完全带隙数目最多达到8条. 关键词： 光子晶体 禁带 平面波展开     

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.     

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%.     

一维全息光子晶体的带隙结构研究

对一维全息底片运用光子晶体的概念,利用平面波展开法和传输矩阵法,数值计算了介电常数余弦调制的一维全息光子晶体结构的带隙,主要针对全息记录材料为重铬酸盐明胶时设置了计算用参数,计算结果表明对于折射率周期性渐变的一维全息晶体结构同样具有一般光子晶体的带隙,进而研究了带隙的特点.发现禁带宽度随着所使用的记录介质折射率的增加而减小,随着介质折射率调制的增加而增加;带的位置随着介质折射率的增加而移向低频,随着介质周期长度的增加移向低频,折射率调制的改变基本不影响禁带位置.     

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。     

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。     

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     

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。     

三角形复式晶格的光子带结构研究

设计了一种三角形复式晶格结构的光子晶体，在该类晶体中，电介质圆柱在空气中的排列存在Ｅ偏振和Ｈ偏振的光子带隙重叠区，称之为绝对光子带隙；而空气圆孔在电介质中的排列时，虽然Ｅ偏振和Ｈ偏振均分别存在光子带隙，但不存在绝对光子带隙。同时利用晶体的光子带结构研究了有效长波介电常数，所得结果与静电理论吻合。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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.     

Photonic band gap engineering in 2D photonic crystals

The polarization-dependent photonic band gaps (TM and TE polarizations) in two-dimensional photonic crystals with square lattices composed of air holes in dielectric and vice versa i.e., dielectric rods in air, using the plane-wave expansion method are investigated. We then study, how the photonic band gap size is affected by the changing ellipticity of the constituent air holes/dielectric rods. It is observed that the size of the photonic band gap changes with changing ellipticity of the constituent air holes/dielectric rods. Further, it is reported, how the photonic band gap size is affected by the change in the orientation of the constituent elliptical air holes/dielectric rods in 2D photonic crystals.