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.     

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.     

二维光子晶体分束器的分频效率分析

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导.设计了一种二维光子晶体三通道分束器,采用时域有限差分方法(FDTD),从理论上计算该器件3个通道电磁波的透射率.为了提高电磁波的透射率,通过在波导附近调节介质柱半径,引入两组点缺陷.结果表明,两组点缺陷的介质柱半径选择合适的值,在3个通道中可以得到最佳的电磁波透射率...     

横磁模式下二维非磁化等离子体光子晶体的线缺陷特性研究

采用等离子体的分段线性电流密度卷积时域有限差分算法研究了横磁波入射时具有单一线缺陷的二维非磁化等离子体光子晶体的缺陷模特性. 从频域角度分析得到微分高斯脉冲的透射系数,并讨论该光子晶体的晶格常数、介质圆柱半径、周期常数、缺陷层参数和等离子体参数对缺陷模特性的影响. 结果表明,改变周期常数、缺陷层位置和等离子体碰撞频率不会改变缺陷模的频率,改变缺陷层介质圆柱的相对介电常数、半径和缺陷层到介质层的中心距离可以在不改变禁带宽度的前提下实现对缺陷模的调节,改变晶格常数、介质圆柱半径和等离子体频率能同时实现对禁带宽度和缺陷模的调节. 关键词： 等离子体 光子晶体 缺陷模 时域有限差分算法     

红外区二维光子晶体偏振分光镜透射谱分析

采用时域有限差分（Finite-Difference Time-Domain,FDTD）法模拟了垂直入射红外波段二维光子晶体偏振分光镜的透射谱,从而验证了用平面波展开方法计算的二维光子晶体能带结构.用电子束蒸发方法在光栅基板上制备了Ge/BaF2多层膜,实现了二维光子晶体偏振分光镜.实验初步证明了这种光子晶体在垂直入射时具有偏振特性,分析了实验结果与理论计算之间偏差的产生原因.     

构成环形谐振腔的光子晶体微镜设计

研究了光子晶体作为陀螺谐振腔空间微镜的应用,基于平面波展开法计算了光子晶体能带结构和带隙分布图,利用时域有限差分方法对三角晶格介质柱结构微反射镜的传输特性进行了研究,讨论介质柱半径和晶格周期对反射率的影响,并给出优化结果和参量.对输入输出镜进行了初步探索设计,初步给出优化结构.基于介质柱光子晶体微镜的环形谐振腔不仅能实...     

二维正方晶格各向异性光子晶体缺陷模

为了得到对TM和TE模具有相同缺陷模的共振微腔,通过在完整各向异性碲介质柱二维正方光子晶体中,引入各向同性的介质圆柱作为点缺陷,利用超胞平面波展开法计算该光子晶体的缺陷模,系统计算了在同时改变点缺陷介质柱介电常数和半径两种情况下的两种偏振缺陷模的变化规律。结果表明,在完全禁带中,缺陷介质柱介电常数从5.44变化到38.44、半径与晶格常数的比从0.05变化到0.50的整个区域,均会出现对TM和TE模具有相同缺陷模,且随着介电常数的减小,缺陷模随着缺陷半径的变化趋于缓慢,归一化共振频率在0.241 8~0.243 2之间可调,在引入ε_e＜ε_o的各向异性介质柱缺陷时,亦可得到对TM和TE模具有相同缺陷模,且共振频率的可调范围增大,该研究为光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

一种紧凑的、可调的、基于缺陷共振的光开关

采用平面波展开法(PWM)和时域有限差分(FDTD)法,研究光在含点缺陷的光子晶体波导中的传输特性.计算结果表明,通过引入两共振腔(点缺陷),处于共振频率附近的光波将被完全反射回光子晶体波导.由于共振频率随点缺陷的折射率的变化而改变,这种现象可用来设计可调光开关. 关键词： 光子晶体波导 缺陷共振 光开关 透射率     

基于Sierpinski地毯结构的类分形光子晶体特性研究

将谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯结构引入二维光子晶体,设计了一种具有规则分形结构特征的光子晶体-Sierpinski类分形光子晶体.采用时域有限差分法仿真分析了空气背景介质柱和介质背景空气孔结构Sierpinski类分形光子晶体的透射谱.结果表明,只有当TM波入射空气背景介质柱结构时,Sierpinski类分形...     

分层背景2维FDTD中斜入射平面波的引入

 对于分层介质中目标散射的时域有限差分（FDTD）计算,在分层背景中引入斜入射平面波源是一个难点。在2维Maxwell方程基础上,导出TM和TE模下含有斜入射角度的１维Maxwell方程,并用它在分层介质中连接边界上模拟斜入射平面波源,克服了分层背景时域有限差分计算斜入射平面波引入的困难。对熔石英表面覆盖薄膜的分层光学元件进行平面波斜入射时域有限差分计算结果表明,电磁波在各层内形成完好的平面波推进,验证了这种斜入射平面波添加方式的正确性。并通过对含气泡的缺陷模型的计算,来阐述这种入射波添加方式的应用。     

基于磁光子晶体的低损耗窄带THz滤波器

本文提出一种采用石榴石型铁氧体磁性材料的太赫兹滤波器,利用波导线缺陷和腔内点缺陷的耦合特性,通过改变腔内介质柱半径及分布,实现对某个波长的耦合,达到了高效率滤波的功能;改变外磁场的大小,影响铁氧体材料的磁导率变化,使谐振频率发生改变,从而对THz波进行滤波.应用平面波展开法(PWM)和时域差分有限法(FDTD)进行仿真分析,研究结果表明,该滤波器其插入损耗为0.0997 d B,3 d B带宽为8.22 GHz,实现了低损耗窄带滤波.     

三角晶格二维光子晶体的横磁模特性

基于平面波展开法,以介电常数分别为1F/m和12F/m的物质构成三角晶格二维光子晶体,改变空气孔半径r与晶格常数a之间的大小,数值模拟得到了三角晶格二维光子晶体横磁模带隙,当r=.4α时形成三处三角晶格二维光子晶体横磁模的带隙,其中最大三角晶格二维光子晶体横磁模带隙出现在0.6766—0.8000Hz,差值为0.1234Hz。研究结论为光子晶体器件的制作提供参考。     

Influence of the dielectric background on the quality factors of metallo-dielectric photonic crystals

The effect of varying the dielectric background on the quality factor of two-dimensional metallo-dielectric photonic crystals is theoretically studied. The studied metallo-dielectric photonic crystal consists of a square lattice of circular metallic rods embedded into a dielectric background with a defect rod on the center that creates resonant modes within the photonic band gap. The metal is modeled with the Drude dispersion relation. A combination of the finite-difference time-domain method together with a frequency filtering technique is used to estimate accurately the resonant frequencies and their quality factors. The results show that the quality factors increase with increasing background dielectric constant. If a dielectric background material such as Silicon is used instead of air, an enhancement in the quality factor of up to eight times can be achieved, depending on the resonant mode. We also show that, depending on the modes, there exists an optimal size for the defect rod that gives the maximum quality factor.     

基于六角结构二维光子晶体绝对带隙的优化设计研究

根据平面波展开法对二维光子晶体的能带结构进行计算，采用栅格结构连接电介质圆柱体对六角结构的二维光子晶体进行了优化. 通过计算栅格宽度和圆柱体半径对绝对带隙的影响，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.优化后的光子晶体的大带隙对光子晶体制造工艺中介质圆柱体半径的偏离具有很好的稳定性，因此该结构的二维光子晶体具有很高的实用性. 关键词： 光子晶体 绝对带隙 六角结构     

Slow light in photonic crystals waveguide constructed with symmetrically perturbed structure

Symmetrically perturbed photonic crystal waveguide can be constructed by inserting perturbative dielectric rods into photonic crystal waveguide structure with whose rods’ radius distributed according to a certain proportion. Slow light properties in this new structure are studied by using the plane wave expansion method (PWM). In this paper, schemes of adjusting radius of perturbative dielectric rods and adjusting the dielectric constant of perturbative dielectric rods are proposed to optimize slow light properties. The result shows that the scheme for adjusting radius of perturbative rods can realize larger average slow light bandwidth and efficiently control the NDBP value of the waveguide, but it contributes little to obtain smaller group velocity. The scheme for adjusting dielectric constant of perturbative rods can realize smaller group velocity, but can only obtain smaller slow light bandwidth and cannot efficiently enlarge NDBP value of waveguide. Both optimization schemes proposed in this paper realize group velocity that is two magnitudes smaller than the vacuum speed of light meanwhile maintaining large NDBP and low GVD region. Our results provide important theoretical basis for the potential application offered by symmetrically perturbed photonic crystal in future optical networks.     

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.     

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。     

TM模式下二维非磁化等离子体光子晶体的禁带调制特性分析

采用时域有限差分法(FDTD)中的分段线性电流密度卷积(PLCDRC)算法研究了TM波入射时二维非磁化等离子体光子晶体的禁带特性.从频域角度分析得到微分高斯脉冲的透射系数,并讨论该光子晶体的介质圆柱的介电常数、晶格常数、介质圆柱半径,周期常数和等离子体参数对其禁带特性的影响.结果表明,增加周期常数和等离子体碰撞频率不会改变禁带宽度,增加介质圆柱的相对介电常数和等离子体频率可以展宽禁带的宽度. 当填充率一定时,减小介质圆柱的半径和晶格常数可以实现禁带的拓展. 关键词： 等离子体 光子晶体 禁带 PLCDRC算法     

1 × 3 Beam splitter based on self-collimation effect in two-dimensional photonic crystals

The analysis and simulation result of a 1 × 3 beam splitter in a two-dimensional square-lattice photonic crystal is presented in this paper, where the light is self-collimated as dictated by the self-collimation effect. The frequency and the direction of propagation of the self-collimated beam are obtained by the equal-frequency contours (EFCs) plot which is calculated by plane wave expansion method. Then a line defect is introduced by simultaneously varying the radii and the dielectric constant of the rods along the proper direction, the self-collimated beam propagation in such structure is simulated by the two-dimensional finite-difference time-domain (2D FDTD) method with perfectly matched layer absorbing boundary conditions. The simulation results show that the self-collimated beam can be split into three beams. With the same principle, a 1 × 7 beam splitter is realized by introducing different line defects along (X direction. Such devices can greatly enhance photonic crystals for usage in high-density optical integrated circuits.