非晶光子晶体中的光子局域化

利用多重散射方法计算并研究了二维光子晶体随着无序度变化的光子局域化.通过控制方形单元随机旋转角度以控制光子晶体的无序度.研究发现，随着无序度的增加光子通带的透过率逐渐降低，而光子禁带中的透过率逐渐上升，即无序导致的局域化逐渐由光子带边向光子禁带中心和光子通带的中心扩展.而且光子通带中的平均透过率随无序度的增加呈e指数下降. 关键词： 非晶 光子晶体 无序 光子局域     

基于空气缺陷的光子晶体可调谐滤波器

采用传输矩阵法分别模拟了缺陷层厚度、入射角度和膜厚微扰的变化对含空气缺陷的一维光子晶体滤波特性的影响.研究表明:对于空气厚度可调结构,在考虑色散的情况下,空气厚度每增加2nm透射波长相应向长波方向移动约2nm,二者基本呈1∶1的线性关系;对于入射角度可调结构,与正入射相比较,入射角度从0°到89°变化时,其全角度禁带分别减小了105nm(TE模)、600nm(TM模),TM模禁带受角度的变化影响较大;入射角从0°分别变化到16.9°(TE模)、17.0°(TM模)时实现C波段的可调滤波.同一周期内,两种材料的模厚误差的相互弥补,能够实现小范围的膜厚扰动不敏感,缩小实际滤过峰值与理论值的偏差,可降低制备光子晶体的难度.     

一维光子晶体的透射率特性

基于传输矩阵法,设计多层一维光子晶体,改变层数和入射角度,应用MATLAB语言进行仿真计算,得到入射角度为0.2rad时,8、16、24层和32层一维光子晶体在[9.77-23.39]THz频范围内存在一个低传输率的传输禁带,只是在两侧的低频和高频部分Fabry-Perot峰变得越来越紧密.改变入射角度为0.1rad、0.2rad和0.3rad时,在低频带范围Fabry-Perot峰变化不大,传输禁带依次增大,高频带部分逐渐压缩.研究结论为一维光子晶体传输器件的设计提供参考.     

二维光子晶体中的无序数值模拟研究

应用on-shell方法研究弱无序情况下的二维光子晶体，无序的引入使得原来不透电磁波的禁带中，出现了共振模，即某一波长的电磁波可以透过，计算结果表明共振模的出现位置，条数多少及透过率随着无序程度的不同而变化。     

带缺陷二维光子晶体的透射谱研究

在一维线缺陷的研究基础上进一步应用转移矩阵方法数值研究带其它缺陷的二维正方晶格圆柱光子晶体的透射谱,缺陷的引入使得原来不透电磁波的禁带中,出现了缺陷模,即某一波长的电磁波可以透过,计算结果表明禁带位置、宽度,缺陷模的位置与透过率随着缺陷的种类、介质、程度有关,特别是都受到波源的入射角调制.     

非线性一维光子晶体特性的动态调制

对含有非线性材料的一维光子晶体带隙结构进行了数值计算.在外部入射光强调制下,非线性缺陷层折射率的改变会引起禁带内缺陷模的移动,而光子晶体禁带位置与宽度基本保持不变;若基本周期层取非线性材料,随入射光强的改变,禁带内部缺陷模发生相同的移动,同时,禁带位置和禁带宽度也会发生移动.利用这一性质可以对光子晶体进行动态外部调制,在此基础上对非线性一维光子晶体动态滤波选频进行了实验设计.     

光在二维无序介质中的动态传播过程

用有限时域差分 FDTD 法研究了光在二维无序介质中的动态传播过程.数值模拟了某一高斯脉冲光束入射到无序介质中光场的空间分布随时间的演化,结果表明:在光束入射的初期,能量从光源区向外传播并出现了清晰的波前传播的特点;经过一定的时间后,有部分能量从光源区向外扩散,而大部分能量逐渐聚集在介质中的一些小区域内,这与整体散射模型关于无序介质中光子局域化的研究相吻合,而且更清晰地呈现了形成光子局域化过程中的物理现象及整体散射干涉效应的重要机理作用.     

光在二维无序介质中的动态传播过程

用有限时域差分 FDTD 法研究了光在二维无序介质中的动态传播过程.数值模拟了某一高斯脉冲光束入射到无序介质中光场的空间分布随时间的演化,结果表明：在光束入射的初期,能量从光源区向外传播并出现了清晰的波前传播的特点;经过一定的时间后,有部分能量从光源区向外扩散,而大部分能量逐渐聚集在介质中的一些小区域内,这与整体散射模型关于无序介质中光子局域化的研究相吻合,而且更清晰地呈现了形成光子局域化过程中的物理现象及整体散射干涉效应的重要机理作用.     

二维八重准晶有机光子晶体平板的光学传播特性

采用时域有限差分法研究了二维八重准晶有机光子晶体的光传输特性,重点分析了光束在聚苯乙烯空气柱平板结构和聚苯乙烯介质柱结构中的透射特性与光局域特性。研究结果表明,即使在低折射率对比度的情况下,两种完整八重准晶平板结构中均出现了可见光波段的光子带隙和本征模,且光子带隙中心位置随着平板厚度的增大而红移。当在两种准晶结构中引入缺陷微腔时,带隙内的缺陷模产生位置和波长红移特性随着微腔结构的变化规律明显不同,这种差异性是由两种物理机制(即光子晶体缺陷能级变化与微腔所支持的驻波条件)共同作用的结果。这一研究结果将为实验制备有机准晶发光器件提供一定的理论基础。     

均匀等离子体光栅的色散特性研究

最近研究表明,两束交叉激光脉冲在等离子体中传播时,可以诱导生成周期等离子体密度调制(或称等离子体布拉格光栅). 分别利用传输矩阵法和耦合模理论,推导了激光斜入射时等离子体光栅的色散关系. 两种方法均表明,均匀等离子体光栅存在着光子带隙结构,并且在带隙附近有强烈的色散. 当激光斜入射时,带隙结构会呈现不同的偏振特性：S偏振光的带隙宽度随着入射角的增大而逐渐变宽,而P偏振光的带隙宽度随着入射角的增大先迅速变窄,在布儒斯特角入射时带隙消失,然后又随着入射角的增大而迅速变宽. 超宽的光子带隙和超高的激光损伤阈值,使得等离子体光栅有望成为一种新型的操纵强激光脉冲的光子器件. 关键词： 等离子体光栅 传输矩阵法 耦合模理论 光子带隙     

含负磁导率或双负材料的一维光子晶体的全方位带隙中波的反射相位特性

运用传输矩阵法研究了含负磁导率或双负材料的一维光子晶体结构在全方位光子禁带中波的反射相位谱.研究发现"负磁导率材料-正折射率材料"光子晶体和"双负材料-正折射率材料"光子晶体,在所述带隙中,对TE波而言,反射相位随入射角的增大而增大;对TM波而言,禁带频率范围内波的反射相位随入射角的增大而减小;TE波和TM波,两种结构的反射位相均随介质层的厚度缩放因子增大而增大,且都与周期数无关.     

Bragg反射齿型平面凹面衍射光栅性能研究

本文基于Bragg反射光栅是一维光子晶体的一种特例结构, 提出利用一维光子晶体理论进行Bragg衍射光栅的设计并对其性能进行研究分析. 根据一维光子晶体理论, 建立了罗兰圆结构的凹面椭圆Bragg蚀刻衍射光栅, 研究了TE/TM模式下器件的分光特性以及入射角度改变对器件角色散造成的影响; 同时, 文中对比了空气介质型和金属铝线型椭圆Bragg蚀刻衍射光栅的光学性能. 研究结果表明: 选择合适的器件参数, 可以实现TE/TM模式下1.465-1.615 μm范围内波长衍射效率在95% 以上, 且空气介质型结构光栅的通道均匀性要优于金属铝线型结构光栅; 入射角在30°-60°范围内变化时, 相同入射角度下, TM模式下器件角色散大于TE模式. 基于Bragg衍射光栅设计的波分复用器是一种尺寸小、衍射效率高的新型EDG 波分复用器, 为未来密集型EDG波分复用器发展提供了一种新的设计思路.     

Tunable phase compensator based on one-dimensional photonic crystals with single-negative materials

The reflection phase difference between TE and TM waves in one-dimensional photonic crystals composed of single-negative (SNG) (permittivity- or permeability-negative) materials is investigated by transfer matrix method. Within two omni-directional gaps the reflection phase difference changes smoothly and increases with the increasing of the incident angle. In the center of the second omni-directional gap the reflection phase difference remains almost unchanged in a broad frequency band. Especially, at both the edges of the second omni-directional gap the reflection phase difference keeps zero in spite of the change of incident angle. Based on these properties, a continuously tunable phase compensators and an omni-directionally synchronous reflector for TE and TM waves can be designed. The working frequencies for the phase compensators and synchronous reflector are tunable.     

二维色散和各向异性磁化等离子体光子晶体色散特性研究

采用平面波展开法和时域有限差分法研究了二维色散和各向异性磁化等离子体光子晶体的色散特性.当波矢在周期平面时,由于外加磁场的作用使TE模的色散曲线出现两个不同区域的平带,改变磁场的大小不但可以控制平带的位置,而且可以控制光子带隙的位置和大小.增大背景材料的介电常数,可以形成全方向光子带隙,随着背景材料介电常数的增加,带隙的中心位置降低但带隙宽度增加.当波矢偏离周期平面时,色散曲线不再分为TE和TM模,随着非周期平面波矢的增加,带隙位置上移,带隙宽度先增加随后基本保持不变.     

Photonic Band Gap in Two-Dimensional Anisotropic Photonic Crystal with Rectangular Bars

Photonic band gap (PBG) in two-dimensional (2D) anisotropic photonic crystal (PC) constructed of rectangular bars has been numerically studied by using Transfer Matrix Method (TMM). The results show that the PBG is bounded by the lower band edge of TE wave and the upper band edge of TM wave. Its width simply increases with increasing of shape parameter . It reaches a maximum value as the structure degenerates into its 1D counterpart, due to the complete overlapping of gaps in TE and TM waves. The anisotropy in PC structure results in the transmission anisotropic property. One can design the PBG structures in different incident directions to match their application demand.     

旋转对二维正方晶格介质柱内空结构光子晶体禁带的影响

采用平面波展开的方法计算了三种旋转操作下二维正方晶格各向异性材料(Te)介质柱内空结构光子晶体TE,TM模式能带.讨论了三种旋转操作对TE,TM模式带隙及完全光子禁带的影响.发现TM模式高频带隙与结构的旋转对称性有着密切的关系.而TE模式的带隙不仅受到晶体旋转对称性的影响同时也受到介质在x-y平面分布情况的影响. 关键词： 二维光子晶体 内空结构 旋转操作 光子带隙     

旋转对二维正方晶格介质柱内空结构光子晶体禁带的影响

采用平面波展开的方法计算了三种旋转操作下二维正方晶格各向异性材料(Te)介质柱内空结构光子晶体TE,TM模式能带.讨论了三种旋转操作对TE,TM模式带隙及完全光子禁带的影响.发现TM模式高频带隙与结构的旋转对称性有着密切的关系.而TE模式的带隙不仅受到晶体旋转对称性的影响同时也受到介质在x-y平面分布情况的影响.     

二维复式晶格完全带隙光子晶体缺陷频率的分析

提出了一种具有完全带隙的二维复式晶格光子晶体,该晶体是在二维正方形格子中,旋转截面为正方形的柱子,同时在每个原胞中心引入圆形截面的柱子而形成的,并在其中引入点缺陷。运用平面波展开法并结合超晶胞理论分析此缺陷态光子晶体的频率特性。仿真结果表明,通过调节缺陷的尺寸、角度等结构参量,可以改变缺陷态频率的位置,使TE和TM模缺陷态频率一致,TE模和TM模同时谐振,处于缺陷态频率的入射光就能够完全耦合进点缺陷,具有较高的耦合效率。这种结构的复式晶格完全带隙光子晶体为制作完全带隙光子晶体谐振腔提供了理论基础。     

Omnidirectional reflectance gaps and resonant tunneling effect in a one-dimensional photonic crystal consisting of two metamaterials

We investigate the properties of electromagnetic wave propagating in a one-dimensional photonic crystal (PC) consisting of two metamaterials with different dispersive model. The reflection gaps of metamaterials multilayer system are independent of the incident angle. Not only TE wave but also TM wave, the omnidirectional reflection gaps exhibit the same behavior with different incident angle for metamaterials as double negative material. We also observed that the frequency regimes of zero-transmission bands are different for TE and TM wave with the same incident angle, when one of metamaterials is the permittivity negative (ε < 0) and the other is the double negative. Correspondingly, we show that the result can be act as an efficient polarization splitter. At last, we discuss the resonant tunneling effect. If the total reflection condition is satisfied, the resonant tunneling effect is enhanced as the incident angle increases, even though the propagation wave is evanescent wave in the single layer medium.     

Complete photonic band gaps in one-dimensional ternary photonic crystals containing single negative materials

Complete photonic band gaps (PBGs) are found in one-dimensional ternary photonic crystals (1D TPCs) composed of an ordinary dielectric and single negative metamaterials. The proposed TPC gives omni directional PBG completely independent of polarizations dependent weekly on angle of incidence. Here the choice of different parameters of TPC is done in such a way so that it eliminates the Brewster's-angle transmission resonance, thus allowing a complete 3D PBG. It exhibits a photonic band or gap near frequencies where either the magnetic permeability or the electric permittivity of the metamaterial changes sign, whose width increases with the increasing angle of incidence. These result from the dispersive properties of the metamaterials and disappear for the particular case of propagation along the stratification direction. The results are discussed in terms of incident angle, layer thickness, dielectric constant of the dielectric material for TE and TM polarizations.