一维无序结构光子晶体的能带特性研究

通过引入结构参数a，深入研究了具有无序结构的一维二元光子晶体的能带特性。研究发现，无序结构有效拓宽了光子带隙，与均匀结构相比，拓宽率达到200％以上；无序一维光子晶体表现出从可见到红外很宽区域的高反射特性。本文还计算和分析了入射角和无序度D对光子晶体带隙的影响。     

介质折射率对一维三元光子晶体带隙的影响

利用光学传输矩阵法,数值模拟了一维二元、三元光子晶体的带隙结构,得出:三元光子晶体的主带隙略宽于二元光子晶体的主带隙;三元光子晶体的主带隙主要取决于最高折射率的介质和最低折射率的介质,而与居于两者之间的介质关系不大,并作出了相应的关系曲线。最后推导了三元光子晶体的色散关系。     

一维等离子体光子晶体的带隙研究

采用时域有限差分方法(FDTD),结合等离子体计算中的分段线性电流密度卷积技术(PLJERC)对一维等离子体光子晶体(1D-PPC)进行了数值模拟,给出了微分高斯脉冲在一维等离子体光子晶体中的传播过程。计算得到的带隙结构与K-P模型方法的结果一致。计算并分析了等离子体频率、介质介电常数、等离子体-介质层的厚度比以及周期厚度对一维等离子体光子晶体带隙结构的影响。     

一维光子晶体禁带的展宽

作为一维光子晶体的应用基础，一维光子晶体的禁带是研究的重点。通过传输矩阵的方法分析了一维光子晶体禁带的特性，讨论了影响带宽的因素。说明了相对带宽对光子晶体设计的重要性。在这个基础上讨论了扩展一维光子晶体带宽的方法，提出了在角域范围内对光子晶体进行叠加的方法，为设计制造一维光子晶体提供了一种行之有效的方法。分别对2个、3个和4个晶体的叠加进行了分析，最后计算了所设计的合成晶体的反射率。其中4个晶体的叠加，相对带宽达到57．52％，极大地展宽了一维光子晶体的禁带，从而证明利用角域的叠加来展宽一维光子晶体的禁带是非常有效的。     

一维光子晶体带隙结构研究

在考虑介质色散的基础上,研究了介质层厚度对光子晶体带隙结构的影响.利用传输矩阵法,计算了以LiF和Si两种材料组成的一维光子晶体带隙结构.结果表明,介质层厚度的增加会引起禁带的红移,厚度减小会引起蓝移.分析了含空气缺陷层、金属缺陷层的光子晶体结构,发现空气缺陷层对带隙结构的高反射区域变化不大,而在低反射区域,反射系数为零的波带之间出现了两边反射系数增加,中间反射系数减小的情况.在金属缺陷层的带隙结构中,金属对整个波长范围光的吸收作用不同,金属对低反射区1.6 μm、1.85 μm处透射率较大的透射光吸收作用明显,而在1.28~1.38 μm处透射率波长区间,几乎无吸收.     

三维光子晶体的带隙分析

平面波展开法分析了三维光子晶体的带隙 ,并用于光学通信系统。     

掺杂对一维光子晶体带隙传输特性的影响

 基于传输矩阵法,数值研究了掺杂对一维光子晶体带隙特征的影响。研究表明：掺杂时,禁带中心会出现一导带,导带深度会随着掺杂位置、杂质折射率的变化而发生变化。当晶体结构给定时,总存在一个掺杂位置,使其禁带中心的导带深度达到最深;而对于给定的掺杂位置,当杂质折射率为某特定值时,禁带中心同样也会出现一个深度最深的导带,这种特性可应用于滤波器件和光学谐振腔的设计。     

一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

一维微波光子晶体带隙的仿真和实验研究

利用MPB软件和MEEP软件对一维光子晶体带隙结构及透射谱进行了仿真与实验研究.讨论了不同介质填充比和介质相对介电常数对光子晶体带隙结构的影响.仿真结果表明,当高相对介电常数介质的填充比增大时,或高相对介电常数增大时,光子晶体带隙的中心频率缓慢减小,带隙宽度呈先增大后减小的趋势,存在一极大值点.采用高相对介电常数介质薄板[钛酸钡(BaTiO<,3>)粉末混合聚二甲基硅氧烷(PDMS)胶体]和泡沫薄板周期性排列组成一维光子晶体.实验上制得了高低介质相对介电常数分别为4.5和1,填充比为1:1,晶格常数为10 mm,周期数为5的光子晶体,并测量出该光子晶体的微波透射谱.测量结果表明,在8～12 GHz的微波频段,该光子晶体的带隙中心频率为9.3 GHz,带隙宽度为500 MHz.     

组合一维光子晶体全能反射器

为了能充分地展宽一维光子晶体的全方位禁带,从一维光子晶体禁带结构的特点出发,对于不发生Brewster效应的一维光子晶体,提出了通过两个或两个以上一维光子晶体的组合来实现和展宽一维光子晶体全方位禁带的理论依据和最佳组合方式.并给出了所提出的组合方式下相关参数的定量计算公式. 最后用传输矩阵法进行了数值模拟计算,对提出的组合方式进行验证,计算结果与预期结论符合很好.     

异质结构对多通道滤波器禁带的展宽

采用光学传输矩阵法首次研究了掺有缺陷的一维三元异质结构光子晶体的传输特性。研究显示,三元异质结构光子晶体与三元周期结构光子晶体相比光子禁带显著扩大。在异质结构光子晶体中引入缺陷并调整缺陷的数目可以实现多通道滤波现象。本文主要讨论了在该结构产生一、二、三通道滤波现象。     

二维三维混杂及准三维嵌套复式光子晶体带隙研究

提出了由两套晶格嵌套组成的全新二维/三维混杂及准三维嵌套复式周期光子晶体结构,并通过理论计算获得了带隙位置主要取决于外周期晶格常量,内周期有助于获得超窄禁带的新型带隙特性.这种内外结构周期效应同时发挥带隙调制作用的性质是该类嵌套复式结构所特有.从理论上验证了嵌套结构利用小尺寸周期调制大波长禁带的可行性.     

光子晶体光纤带隙特性的研究

应用平面波展开法数值模拟得到了光子晶体光纤带隙特性,为光子晶体光纤器件的开发提供了理论依据。     

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.     

光子带隙光纤的可调谐泄漏损耗特性的研究

通过向折射率引导型光子晶体光纤的空气孔中填充可调的高折射率的材料可以获得带隙可调的光子带隙光纤.本文采用矢量平面波展开法与矢量有限元法对可调光子带隙光纤的泄漏损耗特性进行了理论研究.研究表明，这种可调光子带隙光纤的光子带隙效应使其泄漏损耗与填充材料的折射率有很强的依赖关系，同时给出了光子带隙光纤的泄漏损耗和群速度色散与归一化波长的关系.     

磁导率对二维蜂窝结构光子晶体带隙的影响

利用平面波展开法对二维六角晶格结构磁性光子晶体的带隙特性进行了研究,给出其能带结构分布图,并与非磁性介质构成的光子晶体进行了比较.结果表明,由磁性材料构成的光子晶体更易出现带隙,磁导率对带隙结构影响很大.空气背景磁性散射子情况,磁导率增加较小时,二个绝对光子带隙宽度逐渐减小,直至消失.继续增加磁导率,在较低频率范围内出现一个绝对光子带隙,占空比逐渐加大,且最佳填充系数基本保持不变.磁性背景空气散射子,类似地在较低频率范围内也出现了一个绝对光子带隙.磁性背景非磁性散射子与空气背景磁性散射子情况相似.     

光子晶体波导的设计与特性

设计了Y型和回型二维光子晶体波导,基于时域有限差分法模拟了传输特性,并得出Y型结构对应的TE模、TM模的带隙结构。为此可以根据具体情况设计满足不同要求的波导结构。     

大带隙二维光子晶体结构的研究

针对三种常见的介质柱横截面分别为正六边形,正方形和圆形的二维光子晶体,提出了一种增大光子带隙的方法.直角坐标系下,使X方向长度增大p倍,并以原点为中心旋转角度φ,通过调整p和φ来降低结构对称性,使用平面波展开法,对其进行了大量的仿真分析.结果表明,结构改变后的光子晶体具有较大的带隙率.对于三种介质柱的三角晶格结构的光子晶体,最大带隙率能达到12％以上,尤其对于正方柱三角晶格光子晶体,最大带隙率达到15.1％.