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%.     

一种具有大带隙的各向异性二维光子晶体结构

提出一种新型各向异性材料(碲)二维光子晶体结构,应用有限时域差分法,对该结构特性进行数值分析,结果表明:通过优化结构参量,该结构具有较大的绝对光子禁带,禁带宽度为0.064ω_e(ω_e=2πc/a,a为晶格常量,c为光速),且该光子晶体的带隙具有很好的稳定性.     

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.     

低频和高频区域内大禁带的二维各向异性光子晶体

采用一种改进的平面波展开法,运用一种有效的设计二维各向异性光子晶体的方法,在低频和高频区域内获得了具有较大禁带的两种二维光子晶体.低频区域内,找到具有最大禁带宽度的光子晶体的禁带宽度为Δω=0076(2πca),中心频率为0769(2πca)(这里的a为晶格常量).高频区域内,找到的光子晶体的最大禁带宽度为Δω=01(2πcα),中心频率为1653(2πca).同时在低频区域内,发现一种很简单的正方网格结构,它的禁带宽度为Δω=00574(2πca),禁带宽度与禁带的中心频率之比为Δωωc=11782%. 关键词： 光子晶体 平面波展开法 各向异性材料 完全禁带     

遗传算法优化设计三角晶格光子晶体

将遗传算法应用于三角晶格光子晶体的禁带设计过程. 考虑到可制备性，算法以第五能级下最大绝对禁带为优化目标，采用粗粒度像素表示原胞结构. 通过引入傅里叶变换数据备份机制以提高禁带计算速度和算法效率，从而快速搜索到了具有较大绝对禁带的“介质空气柱”散射体形状的三角晶格光子晶体，其最大绝对禁带的相对宽度值(绝对禁带宽度和中心高度的比值)为23.8%. 关键词： 二维光子晶体 三角晶格 光子带隙 遗传算法     

圆环杆与平板连杆的适合光路集成的二维正方晶格光子晶体（英文）

提出了一种基于圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体结构,讨论了绝对禁带的计算过程和各参数对绝对禁带宽度的影响.通过平面波展开法结合逐次逼近方法发现其最大绝对禁带相对值达到19.026%,比采用圆柱杆和平板连杆结构的二维正方晶格光子晶体以及采用圆环杆但无连杆的二维正方晶格光子晶体的最大绝对禁带相对值分别提高10.181%和712.035 9%;圆环杆的外径、圆环的相对厚度以及连杆的宽度都存在一个最佳值,且连杆宽度对绝对禁带相对值的影响比较敏感.     

圆环杆与平板连杆的适合光路集成的二维正方晶格光子晶体

提出了一种基于圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体结构,讨论了绝对禁带的计算过程和各参数对绝对禁带宽度的影响.通过平面波展开法结合逐次逼近方法发现其最大绝对禁带相对值达到19.026％,比采用圆柱杆和平板连杆结构的二维正方晶格光子晶体以及采用圆环杆但无连杆的二维正方晶格光子晶体的最大绝对禁带相对值分别提高10.181％和712.035 9％;圆环杆的外径、圆环的相对厚度以及连杆的宽度都存在一个最佳值,且连杆宽度对绝对禁带相对值的影响比较敏感.     

二维三角格子光子晶体的带隙结构

用平面波展开法对二维光子晶体的电磁波理论及周期排列的电介质中电磁波的Bloch波解进行了详细的推导,计算出以GaAs为背景的空气柱构成的二维三角格子光子晶体的能带结构,研究了H偏振和E偏振带隙宽度随填充比f的变化.计算结果表明,当f=0.8时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,带隙位于0.458-0.529ωe(ωe=2πc/a,a为晶格常数,c为光速),带隙宽度为0.071ωe,相应的带隙波长范围为472.6-545.9nm,处于可见光波段.     

宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构

提出了一种具有宽绝对禁带的一维磁性光子晶体结构,该结构由相同的折射率和物理厚度以及不同的波阻抗的两种磁性材料交替组合而成.通过传输矩阵法分析可得,相比于非磁性光子晶体,该光子晶体的禁带对入射角和偏振都不敏感,从而具有更宽的绝对禁带.合适地调节两种磁性材料的参数,增加两者波阻抗的差值,该光子晶体的绝对禁带宽度也相应地增加;调节两种磁性材料的物理厚度,其绝对禁带中心也会随之调整;最后,将两个满足上述条件的一维磁性光子晶体组成异质结构,其第一禁带宽度与禁带中心之间的比值可达到1.41以上.     

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.     

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。     

Ge基二维正方晶格光子晶体带隙优化设计

采用平面波展开法模拟二维光子晶体在E极化和H极化下的能带结构,研究Ge基二维正方晶格光子晶体的填充比以及晶格排列结构对最大禁带宽度的影响。结果表明：在空气背景材料中填充Ge柱的介质柱结构中,可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.19~0.47范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.064（归一化频率）;在选取Ge为背景材料的空气孔型结构中,同样可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.46~0.49范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.051（归一化频率）。同时,不论在介质柱型还是空气孔型结构中,带隙宽度都随着r/a的增大呈先增大后减小的趋势。     

一种衍生于三角晶格的二维光子晶体

通过在二维三角晶格中引入三个完全相同的介质圆柱构成了一种全新结构的光子晶体,并对其光子能带进行了频域计算.借助数值方法分析了填充率对光子能带的影响,结果表明,在一定填充率下,这种二维光子晶体对于E偏振和H偏振都存在很宽的带隙,而且还可以获得一个窄完全带隙.     

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。     

Absolute band gaps of a two-dimensional triangular-lattice dielectric photonic crystal with different shapes

Absolute band gaps of a two-dimensional triangular-lattice photonic crystal are calculated with the finite-difference time-domain method in this paper.Through calculating the photonic band structures of the triangular-lattice photonic crystal consisting of Ge rods immersed in air with different shapes,it is found that a large absolute band gap of 0.098 (2c/a) can be obtained for the structures with hollow triangular Ge rods immersed in air,corresponding to 19.8% of the middle frequency.The influence of the different factors on the width of the absolute band gaps is also discussed.     

Absolute photonic band gaps in a two-dimensional photonic crystal with hollow anisotropic rods

The plane-wave expansion method is used to calculate photonic band gaps for two structures with hollow anisotropic tellurium (Te) rods. Both structures are found to have absolute band gaps at the low- and high-frequency regions. Compared with the photonic crystal with solid Te rods, the photonic crystal with hollow Te rods has a large absolute band gap at the high-frequency region: for the triangular lattice of oval hollow Te rods, there is an absolute band gap of 0.058w_e (w_e=2πc/a), and for the square lattice of square hollow Te rods, there is an absolute band gap of 0.056w_e.     

Analysis of two-dimensional photonic band gap structure with a rhombus lattice

The relative band gap for a rhombus lattice photonic crystal is studied by plane wave expansion method and high frequency structure simulator (HFSS) simulation. General wave vectors in the first Briliouin zone are derived. The relative band gap as a function of air-filling factor and background material is investigated, respectively, and the nature of photonic band gap for different lattice angles is analyzed by the distribution of electric energy. These results would provide theoretical instruction for designing optical integrated devices using photonic crystal with a rhombus lattice.     

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。