基于声子晶体板的弹性波拓扑保护边界态

基于声子晶体拓扑特性构造的弹性波拓扑态在波调控方面具有背散射抑制和路径缺陷免疫等优异特性,受到广泛关注.本文设计了一种声子晶体板结构,通过在初始元胞中引入具有一定旋转角度的三角形穿孔实现对称性破缺,从而构造四重简并态.与现有利用能带"区域折叠"进行构造的方法相比,该方法简化了声子晶体的元胞构型.元胞的主要变量为三角形穿孔围绕其中心旋转角度θ,研究发现,旋转角度θ=0°时,元胞能带结构存在两个二重简并态,调整旋转角度到±33°时,布里渊区中心G点处出现四重简并态,并发现旋转角度越过±33°时均会发生能带反转,这表明调整晶体结构参数θ使得体系经历拓扑相变.利用具有不同拓扑相的声子晶体组成超元胞,并通过计算其投影能带,发现能带结构中存在弹性波带隙以及不同赝自旋方向的两种边界态.在此基础上,构造多种不同类型的弹性声子晶体板,验证了拓扑边界态对弹性波传播的强背散射抑制、缺陷免疫单向传播和多波导通道开关特性.本文中所设计的弹性声子晶体板具有结构简单、特性易调的特点,为利用拓扑态实现弹性波调控提供了一个可行方案.     

局域共振型声学超材料机理探讨

本文以二维固体薄板中的弹性波传播为例, 对基于共振子结构的声学超材料带隙机理进行了探讨, 证明在声学超材料中带隙形成既与共振子对波的散射相位有关, 也与波在共振体之间的几何传播相位有关. 通过调节散射相位和几何传播相位均能实现对色散关系的调控. 基于这一理解, 探究了弹性波超材料中的次波长缺陷态和负折射现象的实现条件.     

基于弹性波超表面的Lamb波透射调控

根据广义Snell定律,该文提出了一种新型曲梁型弹性波超表面结构。通过该结构对入射波进行相位调制,实现了板中Lamb波(A0模态)的异常透射调控,从而实现了波的负折射、非对称传输、声聚焦等功能。进一步的研究结果显示,若将该类超表面结构贴置在完整的铝板表面,通过引入吸声材料(阻尼),在保证薄板完整性的同时,可以起到显著消除薄板和超表面透射波场叠加的作用。该方法实现了对完整板结构Lamb波透射方向的有效调控,也为弹性波超表面提供了新的研究思路。     

固/固型二维正方晶格声子晶体缺陷态研究*

固/固型声子晶体在抑制噪音和隔离振动等工程领域有着潜在的应用。利用有限元方法对存在缺陷的二维正方晶格金/环氧树脂声子晶体进行了研究,数值计算结果表明弹性波在点缺陷处局域,带隙中出现多条缺陷模,点缺陷数目的增加对声子晶体局域特性产生显著影响;弹性波沿着线缺陷传播形成波导,改变线缺陷结构可以改变弹性波传播方向和实现信号的分离。对声子晶体缺陷特性的研究可为声学滤波器和波导等器件的设计提供参考。     

周期变截面波导中的多缺陷态*

设计了一种具有对称结构的多缺陷周期变截面波导,并在其Bragg禁带中实现了多缺陷态的产生。研究表明,通过调整缺陷的个数和长度可实现对缺陷态数目的选择和缺陷态中心频率的调谐。另外,改变重复周期个数可对缺陷态的带宽进行调节。通过对各缺陷态的声场分布进一步分析,我们发现声压沿波导中心轴呈对称或反对称分布。对称缺陷态的最大声能量总是向长度较小的缺陷处偏移,而反对称缺陷态则相反,总是向长度较大的缺陷处偏移。利用这种偏移特性可实现对多缺陷态的声场调控。这不仅使我们对声缺陷态的认识更加深入,更有利于功能型声波导器件的发展与应用。     

非Bragg禁带中的缺陷态

通过在周期柱状声波导中引入缺陷结构,研究了非Bragg禁带中的缺陷态.与传统Bragg禁带中的缺陷态相比,非Bragg禁带中的缺陷态具有完全不同的特性,所透射的缺陷模包含复杂的高阶横向模式,其形成与波导中的非Bragg共振密切相关.数值模拟表明缺陷态的频率与引入缺陷的几何尺寸有关,当缺陷长度变长时,非Bragg缺陷态与Bragg缺陷态一样向低频移动.而缺陷的半径变化时,非Bragg缺陷态却表现出完全不同的特性,随缺陷半径的变大而向高频移动.非Bragg缺陷态的这一反常变化与其模式结构密切相关,对非Bragg缺陷态的研究工作必将为声选频、滤波等器件的研制提供重要参考.     

含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔Fano共振慢光特性研究

基于表面等离子亚波长结构的传输特性,提出一种含金属双缝的金属-电介质-金属波导耦合环形腔结构。由金属双缝波导谐振腔形成的较宽的连续态波与由环形谐振腔形成的较窄的孤立态波耦合干涉相消,形成Fano共振。结合耦合波理论,分析了该结构形成Fano共振的传输及相位特性。采用有限元分析法对该结构进行模拟仿真,定量分析了结构参数对结构慢光特性的影响,实现结构参数优化。结果表明,优化后的结构群折射率可达205。该结构能为集成等离子慢光器件的设计提供有效的理论参考。     

基于超表面的多波束多模态太赫兹涡旋波产生

太赫兹涡旋波束可以被用于高速通信及高分辨率成像,其产生方式近年来受到了越来越多的关注.本文提出了一种反射型超表面,它可以在太赫兹频段产生四种不同模态的涡旋波束.超表面单元结构基于几何相位原理,由三层结构组成,上下两层为金属结构,中间层为介质,其上层金属结构由圆环及椭圆贴片构成.利用几何相位对圆极化波的调控作用,可以实现由线极化波到圆极化波的分解,并实现对不同圆极化波的灵活调控.为了同时调控反射波的偏转方向,本文利用平面反射阵列原理来计算每个超表面单元所需的相位补偿.通过相位叠加原理,在不同传播方向的波束中叠加不同模态的轨道角动量,较好地实现了太赫兹频段复杂波束的调控效果.仿真及测试结果表明设计的超表面能够在太赫兹频段产生带有±1和±2模态的4个波束,在无线通信及高分辨率成像等方面有潜在应用价值.     

基于二硫化钼的可调一维声子晶体

声子晶体所具有的负折射率、 局域缺陷态与弹性波带隙等特性, 使其在声学隐身、 声学波导以及减震降噪等方向展现了巨大的潜力. 同时, 二硫化钼优异的电学和力学性能使其成为制备纳米机电器件的理想材料. 将单层二硫化钼转移到预先图案化的周期性结构上, 可以制备出纳米尺度的声子晶体器件. 本文设计了一种通过将单层二硫化钼转移贴合在预先制备的周期性沟槽阵列上, 形成一维声子晶体的方案. 有限元分析表明, 这种声子晶体在MHz 范围存在声子能带结构, 可以实现对声波传播的控制. 我们可以通过改变结构参数, 或者通过改变施加在栅电极上的电压, 对能带进行调控. 这种结构为开发基于二维材料的纳米尺度的声子晶体器件提供了可能性.     

基于微腔耦合结构金属弯曲波导的光透射特性

提出了一种基于微腔耦合结构的等离子体弯曲波导新型滤波器,该滤波器由两个直角波导和一个矩形谐振腔组成,光通过该结构会激发表面等离子体激元(SPPs)。采用时域有限差分(FDTD)法研究了此结构SPPs的传播特性。结果表明,相比于传统的直波导结构,由于其会引发双边耦合效应,这种单微腔弯曲波导结构产生了更强烈的共振作用,其耦合效率也得到了进一步的提高。数值仿真结果表明,通过改变谐振腔的腔长,也可达到线性调节滤波器共振波长的目的。此外,在上述设计思路的基础上还提出了一种双微腔结构,此结构由一个弯曲波导与左右两个谐振腔组成,其可利用两个微腔透射波的叠加作用,产生动态可调控的等离子诱导透明效应。     

Transverse mode competition in defect states of a waveguide with corrugated walls

We investigate the defect states arising in the Bragg and non-Bragg gaps by inserting a straight duct into a waveguide with periodically corrugated walls. In periodic waveguides, the Bragg gap is created by the interference of the same transverse modes whereas the different mode coupling leads to the non-Bragg one. Due to the involved high-order modes, there are two defect states observed in the non-Bragg gap while only one in the Bragg gap, indicating that transverse modes play a significant role in the creation of defect states. Furthermore, the frequency of each defect state highly relies on the defect geometries and their band widths can be optimized by the number of waveguide segments. The proposed transverse mode competition analysis reveals the mechanism of frequency shifting and provides an opportunity for guided wave control engineering, which would definitely benefit their applications in various functional devices, such as filters, sensors, and amplifiers.     

基于波导间能量耦合效应的光子晶体频段选择与能量分束器

基于波导间能量耦合效应的光子晶体功率分束器具有结构紧凑、带宽较宽、弯曲损耗低、分光角度大和不受外界电磁场干扰等优点.本文利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体耦合波导的功率分束特性,设计得出了一种能够在宽频谱范围内针对不同频率区间实现不同分光比的功能器件.在此基础上通过改变耦合区介质柱形状以及输出分支波导与能量耦合波导的连接位置,最终针对三个相邻频率范围内的入射光信号,较好地实现了三均分、二均分、单一输出通道这3种能量分配输出模式.该功能器件具有透过率对比度高、结构紧凑等特性,对于发展全光功能器件在大规模全光复杂集成领域内的实际应用具有一定的促进作用.     

Low band gap frequencies and multiplexing properties in 1D and 2D mass spring structures

This study reports on the propagation of elastic waves in 1D and 2D mass spring structures.An analytical and computation model is presented for the 1D and 2D mass spring systems with different examples.An enhancement in the band gap values was obtained by modeling the structures to obtain low frequency band gaps at small dimensions.Additionally,the evolution of the band gap as a function of mass value is discussed.Special attention is devoted to the local resonance property in frequency ranges within the gaps in the band structure for the corresponding infinite periodic lattice in the 1D and 2D mass spring system.A linear defect formed of a row of specific masses produces an elastic waveguide that transmits at the narrow pass band frequency.The frequency of the waveguides can be selected by adjusting the mass and stiffness coefficients of the materials constituting the waveguide.Moreover,we pay more attention to analyze the wave multiplexer and DE-multiplexer in the 2D mass spring system.We show that two of these tunable waveguides with alternating materials can be employed to filter and separate specific frequencies from a broad band input signal.The presented simulation data is validated through comparison with the published research,and can be extended in the development of resonators and MEMS verification.     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现:在色散曲线下边缘处,材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化,如果工作频率点选择在带下边缘附近,则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应,计算结果表明,对于0.46%的折射率变化,光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究,这种增强效应有望应用与高密度集成光路.     

缺陷态同轴布拉格波导传输特性

采用基于Ansoft HFSS的电磁仿真平台,研究了一个工作于Ka波段（37.5 GHz附近）的缺陷态同轴布拉格波导在不同的开槽方式及缺陷位置条件下的传输特性。结果表明:该波导只有在内外导体壁单面开槽并引入缺陷,或者双面开槽且两个开槽面同时引入缺陷的条件下才能够有效地产生出传输通带;对于后者而言,将内外导体壁的波纹初始相位差设置为且让缺陷位于波导中间时,可以获得带宽极窄、阻带抑制范围较宽的传输通带,此时,给内外导体壁的缺陷引入适度的错位能够对通带的中心频率、带宽等性能指标起到微调作用,而引入大间距的错位则能够在禁带中产生出多个通带,从而起到多通道滤波的作用。     

Floquet''s theorem in three dimensions and its application to the dispersion characteristics of circular waveguides with screw periodicity for use with gyrotron backward-wave oscillators

Floquet's theorem for three dimensions is proved for each of the two mathematical conditions of periodicity: the differential equation and the boundary condition. The theorem applied to circular waveguides with screw periodicity provides the dispersion characteristics of the uncoupled modes. These characteristics are compared to those of a normal circular waveguide to show how screw periodic RF structures shift in phase the waveguide cutoff point and how such a shift is advantageous to gyrotron backward-wave oscillators.     

MZ-MMI-based all-optical switch using nonlinear coupled waveguides

We propose an all-optical switch (AOS) based on Mach-Zehnder (MZ) and Multi-mode interference (MMI) using nonlinear closely coupled waveguides. The device operates by switching between two states of coupled waveguides. In first state the refractive index of waveguides are same and light field will completely couple to nonlinear waveguide in half length of coupler and will back in the second half. We will have π phase difference in this procedure and the input field will appear in Bar-state output. In the second state the refractive index of nonlinear waveguide increase with high intensity control field. In this case, we have lower coupling and change in phase. But, we choose the best refractive index change to obtain the phase change of multiple of 2π necessary for Cross-state in output. The beam propagation method is used to simulate the device operation.     

L波段紧凑型TEM-TE11模式转换器

设计了一种适用于窄带高功率微波源系统的紧凑型TEM-TE11模式转换器。该结构首先将同轴波导沿角向分区使微波在各分区内相位传播常数不同,然后将相位传播常数较大的分区进行横向折叠设计以缩短系统轴向长度。分区传播的微波在模式转换器末端相位差达到180时,合成同轴波导中TE11模式。为L波段磁绝缘振荡器设计了模式转换器,并采用数值仿真程序进行计算,在1.31 GHz中心频率上,模式转换器转换效率为95%;在1.23~1.40 GHz频率上,模式转换器效率大于90%,相对带宽13%。将模式转换器应用于磁绝缘振荡器,并测量了天线的定向辐射能力,所得结果与设计一致。     

Modes splitting in graphene-based double-barrier waveguides

The graphene-based double-barrier waveguides induced by electric field have been investigated. The guided modes can only exist in the case of Klein tunneling, and the fundamental mode is absent. The guided modes in the single-barrier waveguide split into symmetric and antisymmetric modes with different incident angles in the double-barrier waveguide.The phase difference between electron states and hole states is also discussed. The phase difference for the two splitting modes is close to each other and increases with the order of guided modes. These phenomena can be helpful for the potential applications in graphene-based optoelectronic devices.