温度对超导光子晶体光子能带的影响

建立了二维超导光子晶体的物理模型,在超导二流体模型并考虑原子作非简谐振动情况下,用平面波展开法求出超导光子晶体的光子能带满足的方程.以YBaCuO超导光子晶体为例,探讨温度对它的光子能带结构的影响.结果表明:二维超导光子晶体在低温时具有较宽的禁带,且禁带宽度随温度的升高而变小.     

二维光子晶体能带结构温度特性研究

采用有限元法对二维光子晶体的能带特性进行了分析.当光子晶体所受的温度发生变化时,由于构成二维光子晶体介质的热光效应,引起介质的折射率变化,介质的热膨胀效应引起介质厚度发生变化,改变了光子晶体的晶格周期,使得光子晶体的能带结构发生变化.分析了温度变化对二维光子晶体的第一禁带和第二禁带结构特性的影响,各禁带的起始波长、截止...     

光子晶体理论研究的新方法——混合变分法

利用混合变分法研究了二维光子晶体的能带结构,得到了通带、禁带和群速度,并详细分析光子晶体中的电磁场分布和能流密度分布.该方法方便实用,理论上能够应用于任意维度任意周期结构的光子晶体的计算.     

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.     

外磁场与温度对低温超导光子晶体低频禁带特性的影响

文中用传输矩阵法(TMM)分析了TM波垂直入时,超导光子晶体的低频禁带特性,并讨论了外磁场与温度对禁带的影响.分析结果表明:超导光子晶体存在频率从0开始的低频禁带;当没有外磁场作用时,由于超导中正常态电子的影响,低频禁带的截止频率与温度无关;有外磁场作用时,温度才对截止频率具有可调性.外加恒定磁场时,低频禁带的截止频率随温度升高而减小;而在正常态电子的作用下,温度对处在超导态超导光子晶体禁带截止频率的调节范围相对忽略正常态电子情况下减小.恒温下,通过调节外磁场来控制带隙时,正常态电子的贡献很小可忽略不计;外磁场强度增大禁带截止频率减小.当超导体完全处于正常态时,低频禁带消失.     

光子晶体液体浓度传感器

为了有效地检测混合液体的浓度,运用平面波展开法与光子晶体禁带理论,研究了光子晶体禁带宽度和混合液体浓度的对应关系。以砷化镓(GaAs)为背景材料的三角格子空气孔二维光子晶体内分别填充不同浓度的水醋酸、水甲醇混合液体,讨论了混合液体浓度与介电常数对二维光子晶体禁带宽度的影响。模拟结果表明,在温度保持不变的情况下,浓度在0～0.60mol/kg之间变化时二维光子晶体TE模没出现光子晶体禁带而TM模出现的光子晶体禁带宽度随着混合液体浓度和介电常数的增大而逐渐变窄且向高频区域移动。这一结果为生物化学中混合液体浓度的检测方面提供很好的参考依据。     

二维光子晶体介观温光效应的研究

低维和介观物理系统的研究是凝聚态物理学中的重要研究方向,我们以二维三角晶格介质柱型光子晶体为研究对象,利用时域有限差分的方法,分析了其介观温光效应的影响:由于温度改变导致晶体介质的折射率和厚度发生变化,继而对光子禁带产生影响.结果表明:当晶体所处环境温度升高时,光子禁带发生整体平移(波长大的方向),禁带宽度变窄,禁带中心波长与温度变化存在线性关系,引入介观温光系数来描述该线性变化,得到理论数值γ=0.336nm/℃,这为二维光子晶体基光学器件的制备和使用提供了理论参考.     

二维正方晶格光子晶体禁带特性

基于平面波展开法,以碳化硅构成二维正方晶格光子晶体,数值模拟了TE模、TM模二维光子晶体的禁带特性,结果表明,TE模更容易形成光子禁带。同时设计了以碳化硅构成二维正方晶格光子晶体波导,数值模拟了TE模、TM模波导的传输特性和禁带特性,结果表明,TE模构成的波导电磁波能够较好的传播,它们的光子禁带都没有出现。研究结论为光子晶体波导器件的开发提供参考。     

二维光子晶体量子阱的光谱特性研究

研究了二维光子晶体量子阱的光谱特性,该量子阱结构由二维正方晶格圆柱晶胞光子晶体通过移去中间位置的介质圆柱层形成。由于光子晶体中的光子禁带充当了光子运动的势垒,类似于半导体量子阱中电子的行为,在光子晶体量子阱结构中会出现量子化的光子能态。文章利用平面波展开法计算了所用光子晶体的能带结构,利用传输矩阵方法计算了量子阱结构的透射光谱。计算结果表明,在光子禁带中出现了离散的透射峰,透射峰的强度随着势垒宽度的增加而减弱,个数随着势阱宽度的增加而增加,通过计算得到了其定量关系,并且讨论了透射峰频率与势阱宽度的关系。     

二维圆柱形光子晶体的完全禁带研究

用平面波展开法研究了二维圆柱形光子晶体的完全禁带与填充比、介电常数比之间的关系. 研究发现,并非介电常数比越大,完全禁带宽度就越大,而是有一个峰值. 关键词： 二维光子晶体 完全禁带 平面波展开法     

The two-dimensional superconducting photonic crystal

The band structure of a two-dimensional superconducting photonic crystal is studied. The temperature dependence of the photonic band structure in a wide temperature region below the superconducting transition is analyzed. It is found that the photonic crystal has two full band gaps and two incomplete band gaps, which are shifted to the high frequency region with decreasing temperature.     

Band structure of superconducting photonic crystals

The band structure of a two-dimensional superconducting photonic crystal is investigated. This crystal is considered a periodic system of nonoverlapping cylinders that have a circular cross section and are infinite in length. The results are obtained using the method of plane wave expansion of eigenfunctions. The photonic band structure is analyzed for two temperatures, namely, in the vicinity of the superconducting transition point and far from it. The two-dimensional superconducting photonic crystal is found to have complete and incomplete band gaps at low temperatures. As the temperature increases, these band gaps shift toward the short-wavelength range.     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

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     

Photonic band structure calculations for metal-clad two-dimensional photonic crystal slab

We study the effect of metallic cladding on the band structure of a two-dimensional photonic crystal slab. Band structures of a honeycomb patterned two-dimensional photonic crystal slab, with/without a metal-clad or a perfect conductor clad, are calculated using both the finite-difference time-domain (FDTD) method and the plane wave expansion (PWE) method. We explain the changes of the band structure due to cladding. We also show that the band structure of a metal-clad photonic crystal can be obtained effectively from the odd modes of the air bridge type dielectric photonic crystal slab, thicker than the metal-clad photonic crystal by a factor larger than two.     

基于光子晶体的物质的量浓度测量研究

利用平面波展开法对二维光子晶体在H极化下的光子带隙进行数值计算。考虑了溶液温度和物质的量浓度对光子带隙的影响。结果表明,以半乳糖和木糖的水溶液作为空气孔中介质材料,当溶液物质的量浓度一定时,光子带隙随溶液温度的变化而改变;而当溶液温度一定时,光子带隙随溶液物质的量浓度发生变化。较高物质的量浓度和较高温度的溶液更容易形成光子带隙。在某些情况下,木糖的光子带隙大于半乳糖的光子带隙。     

二维光子晶体线缺陷结构的光谱辐射特性

光子晶体的禁带特性是该新兴材料的最根本特征。本文运用平面波展开法(PWE)计算了一种正方晶格Si光子晶体材料的禁带特性,并基于该材料设计出一种红外波段的线缺陷光子晶体波导结构。运用时域有限差分法(FDTD)研究了线缺陷二维光子晶体波导宽度对通频带、电场强度及透射能量的影响,研究结果为二维光子晶体波导器件的开发和利用提供了理论支撑。     

二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算

二维单斜点阵光子晶体在光学聚焦器件及光子晶体波导中有重要的应用价值，详细讨论了二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算，并与常规方法计算得出的二维正三角形晶格光子晶体的带隙结构进行了比较.最后讨论了临界条件下二维单斜点阵光子晶体的带隙结构，证明了本方法的有效性.     

二维光子晶体全光异或门的设计及研究

分析了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的传输特性,将二维光子晶体波导、环形腔和马赫-曾德尔干涉仪有效结合,提出了一种基于二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的异或门设计。用平面波展开法分析二维光子晶体能带结构,并用时域有限差分法验证光信号在该器件中的电场稳态分布。结果表明,该结构能够实现异或逻辑,且具有高逻辑对比度7.88 dB,快速响应周期0.388 ps和高传输速率7.87 Tbit/s;并且该器件结构尺寸仅为13 μm×14 μm,易于集成。该异或逻辑结构中引入了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪,使得光子晶体逻辑门结构的设计更加多样,并为二维光子晶体半加器与全加器的设计提供了基础,具有重要的研究意义。     

Effect of a Two-Dimensional Periodic Dielectric Background on Complete Photonic Band Gap in Complex Square Lattices

A two-dimensional photonic crystal model with a periodic square dielectric background is proposed. The photonic band modulation effects due to the two-dimensional periodic background are investigated in detail. It is found that periodic modulation of the dielectric background greatly alters photonic band structures, especially for the Epolarization modes. The number, width and position of the photonic band gaps sensitively depend on the dielectric constants of the two-dimensional periodic background. Complete band gaps are found, and the dependence of the widths of these gaps on the structural and material parameters of the two alternating rods/holes is studied.