一维光子晶体缺陷模的偏振特性研究

利用周期结构的布洛赫定理推导了一维无限光子晶体缺陷模方程,研究了缺陷模的偏振特性,以及在不同入射角和缺陷层厚度下缺陷模位置的变化.利用传输矩阵方法对有限周期数光子晶体也进行了研究,分别对应一维无限光子晶体和有限周期数光子晶体给出了数值计算结果.通过比较这两者的数值结果得出了缺陷模随入射角和缺陷层厚度变化的一般规律.     

含负折射率材料的一维光子晶体缺陷模式的研究

采用光学传输矩阵方法,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体中带有缺陷层时的光学传输特性.计算了含有普通电介质插层和有吸收的介质插层两种情况下的透射谱.结果表明,在正入射时,对于普通电介质插层,随插层厚度的增大,缺陷模的个数增多;对于有吸收特性的介质插层,随插层厚度的增大和吸收特性的增强,缺陷模式并没有出现,而是表现为对透射峰的明显增益.     

一种研究一维掺杂光子晶体缺陷模的方法

建立一维掺杂光子晶体的谐振腔模型并研究其缺陷模特性,采用相干叠加的方法推导缺陷模的透射率及频率,建立一种研究缺陷模的方法——相干叠加法.将相干叠加法与特征矩阵法和共振理论进行比较,结果表明:相干叠加法具有特征矩阵法和共振理论的优点,并克服了特征矩阵法和共振理论的不足.相干叠加法是一种研究一维掺杂光子晶体缺陷模的更为有效的方法.     

一维三元光子晶体缺陷模的特性研究

在考虑色散关系的基础上,利用传输矩阵法讨论了一维三元光子晶体缺陷模的特征.结果表明:缺陷层几何厚度增加时,缺陷模中心红移,透射率下降,品质因子变小.三介质的几何厚度各自独立递增时,缺陷模都向长波方向移动,缺陷模的品质因子先增后降.入射角增大时,缺陷模中心蓝移,透射率不变,半峰全宽度变窄,品质因子变小.若忽略缺陷介质的色散,当其折射率减小时,缺陷模蓝移,透射率变大,半峰全宽度保持不变,品质因子增大.     

一维掺杂光子晶体缺陷模的共振理论

为了得到一维掺杂光子晶体的共振理论,建立了一维掺杂光子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维掺杂光子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式对缺陷模的频率随入射角、杂质光学厚度以及杂质折射率的变化规律进行了研究,解释了一维掺杂光子晶体缺陷模的变化规律.与特征矩阵法的计算结果相比,其结果完全吻合,从而证明了共振理论的正确性,弥补了一维光子晶体研究中数值计算方法的不足.     

一维掺杂光子晶体缺陷模的共振理论

为了得到一维掺杂光子晶体的共振理论,建立了一维掺杂光子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维掺杂光子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式对缺陷模的频率随入射角、杂质光学厚度以及杂质折射率的变化规律进行了研究,解释了一维掺杂光子晶体缺陷模的变化规律.与特征矩阵法的计算结果相比,其结果完全吻合,从而证明了共振理论的正确性,弥补了一维光子晶体研究中数值计算方法的不足.     

含负折射率材料的一维光子晶体禁带特性

运用光学传输矩阵和色散关系理论,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的禁带特性,发现了一种新型带隙—零平均折射率带隙。与传统的Bragg带隙相比,只要两种介质厚度的比例保持不变,这种零平均折射率带隙的边缘频率,与光子晶体的晶格常数无关,并利用一个等效的传输线模型得出了带隙边缘频率的数学表达式,解释了这个性质。     

含左手材料异质结构光子晶体的零平均折射率带隙的展宽

运用光学传输矩阵理论,研究了含左手材料一维二元光子晶体的禁带特性.提出了含左手材料的光子晶体异质结构中零平均折射率带隙展宽的方法.根据此方法设计的异质结构的光子晶体形成的零平均折射率带隙,与一维光子晶体零平均折射率带隙相比,零平均折射率带隙的宽度和相对带隙宽度可以得到显著的拓宽.而且它的零平均折射率带隙的边缘与TM波和TE波相关.这种特性在微型谐振腔、天线基片、同轴波导等方面都具有潜在的应用.     

一维光子晶体缺陷模激光器的放大特性

光子晶体中引入缺陷后将形成缺陷模,这些缺陷模在增益介质中将被放大形成激光。基于麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型,用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了一维单缺陷光子晶体激光器中缺陷模的空间分布和频谱特性,以及这些缺陷模的放大特性,主要研究了缺陷层的厚度、晶体层数对缺陷模放大特性的影响。模拟结果显示,类似于传统激光腔的腔模,这些缺陷模能够被放大,形成激光。调整缺陷层的厚度、晶体层数等结构参量,将改变缺陷模的谐振,激射频率以及空间分布,这将直接影响激射阈值和饱和特性。增加晶体的层数,激光器的阈值将降低,饱和值将增加,但晶体层数增加到一定限度时,这种增减趋势变弱。模拟结果证明了有效层数的存在。     

一维光子晶体缺陷模偏振特性的研究

利用一维光子晶体的透射率公式,计算出一维光子晶体掺杂后TE波和TM波缺陷模的波长随入射角的响应曲线、缺陷模透射峰随入射角的响应曲线、缺陷模透射峰随入射波长的响应曲线.研究发现,TE波和TM波的缺陷模透射峰均随入射角的增加而向短波方向移动；TE波缺陷模透射峰的半高宽度(FWHM)和峰值随入射角的增加而减小,而TM波缺陷模透射峰的半高宽度(FWHM)和峰值确随入射角的增加而增加；对TM波其波长为λ0的缺陷模也存在明显的“广义布儒斯特角”现象, TE波的缺陷模不存在“广义布儒斯特角”现象.     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

含负折射率缺陷的光量子阱的透射特性及理论模拟

利用转移矩阵方法对含负折射率缺陷的一维光子晶体量子阱结构的透射特性进行了研究。结果表明,当缺陷为偶数个时,结构透射谱中有两个透射峰;当缺陷为奇数个时,透射谱中只有中心处一个透射峰,且随着缺陷层数的增加,该处峰的品质因子逐渐提高。因电磁波在缺陷处的强烈局域,所以阱中局域态的透射率对缺陷的折射率有很强的依赖作用。通过控制入射光的强度可使缺陷的折射率发生微小的改变,进而使局域态的透射率发生明显改变,这样就可制作高效光开关。     

缺陷态透射率可调的三缺陷层的一维光子晶体

利用传输矩阵方法,从理论上研究了三缺陷层一维光子晶体的光学性质.在缺陷层间距足够大以致于出现缺陷态简并的情况下,调节第一或第三个缺陷层的光学厚度,光子晶体缺陷态的透射率会发生最大程度的变化.这种结构可同时具有窄带滤波器和光开关的功能,据此提出了一种低阈值光开关的设计.把折射率可调的向列型液晶作为晶体的第三个缺陷层,并用4×4传输矩阵方法计算了其缺陷态透射率与电场电压的关系.     

Zero Refractive Index Properties of Two-Dimensional Photonic Crystals with Dirac Cones

The zero refractive index properties of two-dimensional photonic crystals(PCs) are studied theoretically. Three necessary conditions for PCs to mimic the zero index materials(ZIMs) are obtained. In addition, through a comparative study of the properties for two representative PC structures with different types of Dirac cones, we find that the PC with a Dirac-like cone which meets the three necessary conditions does not behave as a ZIM in some cases. Further analysis shows that its non-zero index properties originate from the flat dispersion band.These findings clarify the fundamental physical issue of which type of Dirac cone PC can mimic a real ZIM.     

一维光子晶体的折射率研究

对于一维光子晶体反常折射的研究大都基于光子晶体的色散关系解析解,文章作者认为,在光线非正入射时上述方法是不适用的,有必要使用更加合适的方法对一维光子晶体的折射规律加以系统研究,从而对一维光子晶体器件的设计起到些指导作用.文章将一维光子晶体作为二维问题来考察,使用数值方法(平面波展开法)来计算光线在光子晶体中沿各个方向传播时的色散关系,进而得到了折射角与入射角和频率的关系.结果表明:对于一维光子晶体,考查在第一能带范围内的频率,当频率越接近能带边,且入射角越接近敏感区时,折射角对入射角和频率的变化越敏感.而且,敏感区随频率的增大有向小角度移动的趋势.     

一维类梳状光子晶体中的缺陷模研究

本文研究了一种一维类梳状光子晶体的事结构及缺陷态对带隙的影响。发现这种结构的带隙来源于结构 周期性及所接分支所形成的共振态。通过移去或插入一定数目的缺陷分支在带隙中将形成局域态，通过对透射系数的研究，发现局域态以窄的尖峰形式出现在透射谱中，并且，局域态的性质与所接缺陷的数目、缺陷分支的长度及所接的位置有关。     

含色散介质的一维光子晶体微腔的光学特性和模式调节

采用时域有限差分(FDTD)法计算了含色散介质一维光子晶体微腔的透射谱,研究了缺陷模的频移特性。通过与无色散光子晶体微腔透射谱相比较,发现了介质色散导致的缺陷模频移现象,并详细地分析了中心频率、色散强度和衰减系数等色散介质参量和缺陷模频移的依赖关系。模拟结果显示,缺陷模的频移决定于中心频率、色散强度和衰减系数等色散介质参量的大小,通过合理的调节这些参量,可以有效地调节缺陷模的频率。     

多个单负材料缺陷一维光子晶体的孪生缺陷模

分析了含有多个单负材料缺陷层的一维光子晶体中缺陷模的性质。在两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替堆叠形成的一维光子晶体中,掺入了多个周期排列的单负材料缺陷层,得到在该光子晶体的零有效相位(zero-effective phase)带隙内存在孪生缺陷模。通过改变缺陷的数目或缺陷层的厚度,可调节缺陷模的频率间隔,但缺陷模的数目总保持为两个。计算结果显示,该孪生缺陷模的频率对入射角度的依赖较弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量总保持在0.03以下。此外,对应缺陷模频率的电场在该光子晶体中传播时,将被强烈地局域在缺陷层与周期结构的交界面上。