高质量三维光子晶体的实验制备及理论分析

对压强控制自组装法进行了改进,采用了密封硅胶颗粒的强吸水装置,为光子晶体样品的制备提供了一个稳定的温度、湿度和压强环境.将温度、压强分别控制在35 ℃、45 mmHg,利用直径为260 nm的聚苯乙烯胶体球进行了高质量三维光子晶体样品的制备.从理论计算和实验测量等方面对制备的光子晶体样品的结构、质量和性能进行了对比分析,结果表明,利用该实验装置进行光子晶体样品的制备时,可重复性高;制备的光子晶体样品具有较为完美有序的密堆结构,质量较好;在光子晶体样品的Г L方向有深且窄的光子带隙和陡峭的带隙边沿.光子带隙深度为83%,宽度为0.073,带隙边沿陡峭度为8%/nm,这为超快全光开关等先进的光学设备的研究奠定了基础.     

Band gap studies of 2D photonic crystals with hybrid scatterers

Two-dimensional (2D) photonic crystals (PCs) of a square lattice with dielectric hybrid rods in air are proposed; these PCs consist of a square rod at the center of the unit cell and additional circular rods with their outermost edges against the middle of each side of the lattice unit cell. The band gap structures of PCs can be tailored and optimized by rotating the square rods and adding circular rods to the lattice unit cell. The variation of bands near the complete photonic band gap boundaries, due to some specific modes, is sensitive to certain structural parameters of the system. The results can be understood by analyzing the spatial energy distribution of the electromagnetic fields. Based on such a field analysis, a novel interpretative model is proposed. The PC can be fabricated easily and operated in the microwave region and, hence, should be suitable for applications in new microwave devices.     

六角蜂窝结构光子晶体异质结带隙特性研究

利用蜂窝结构光子晶体具有两个范围较大绝对带隙的特性，设计新型六角蜂窝结构光子晶体异质结，采用平面波展开和超晶胞相结合的方法来研究异质结的能带结构特性.给出异质结的结构和相应的能带图，分析异质结界面传导模，研究两侧结构作横向拉开和侧向滑移时对传导模的影响，讨论这些结构的实际可行性.计算结果表明，没有任何晶格移动，此种结构异质结在绝对带隙中就有导模存在，两边晶格横向拉开对导模影响较大，而侧向滑移的影响则较小. 关键词： 光子晶体 异质结 光子带隙 超晶胞     

空气环型二维光子晶体完全带隙特性研究

采用平面波展开法, 系统研究了空气环型二维光子晶体的完全光子带隙随结构参数变化而改变的规律, 并将其与普通的空气孔型和介质柱型二维光子晶体的完全带隙进行了比较. 研究表明: 空气环型二维光子晶体不仅可以获得更宽的完全带隙, 而且, 当介质折射率较低时, 其可以获得普通空气孔型和介质柱型二维光子晶体在低折射率条件下所无法获得的完全带隙. 关键词： 空气环型二维光子晶体 完全带隙 平面波展开法     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点.     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点. 关键词： 金属光子晶体 频域有限差分法 全禁带     

高质量三维光子晶体的制备及其透射谱研究

设计了简易的压强可控自组装实验装置,制备了由直径为260 nm的聚苯乙烯(PS)胶体球组成的面心立方光子晶体.分析了压强的变化对光子禁带(PBG)深度及光子带隙边缘(PBE)坡度的影响,确定了合适的压强生长环境(P=5999.5 Pa).利用该实验装置,还进行了光子晶体的小批量制备,一次性制得了三块光子晶体,并从不同角度对每一块光子晶体的透射谱及不同光子晶体的透射谱进行了测量.同一光子晶体不同位置透射谱的重合、同一批次制备的不同光子晶体透射谱的一致性及光子禁带两侧的Fabry-Pérot振荡等均说明:该装置制备的光子晶体在大区域、大面积上是高度有序、均一和平整的;利用该实验装置进行光子晶体的小批量制备是可行的.     

介质球掺杂导致的无序效应对光子晶体光学性能的影响

采用自组装法制备了聚苯乙烯(PS)微球三维光子晶体结构,通过在PS微球悬浮液中掺入不同浓度的二氧化硅大球,实现了光子晶体结构从有序向无序过程的转变。通过对这些样品的透射、反射进行测量和分析,发现无序效应对光子晶体的光子响应特性具有极大的影响,随着无序程度的增加,高频波段的透射率急剧下降,低频波段的法布里-珀罗振荡消失,光子带隙蓝移且逐渐消失;而在掺杂浓度为0.02%(质量分数)时,光子晶体带隙中心的最低透射率从10%下降到1%,且反射单峰随着探测角度的增大而分裂为双峰。这有助于基于介质球三维光子晶体沿Γ-L方向透射消光,促进其在新型光学器件领域的应用发展。     

Control of photonic band gaps in one-dimensional photonic crystals

The photonic band gaps in one-dimensional photonic crystals (PCs) are theoretically investigated. A new method to broaden the photonic band gaps is introduced. Based on the similar method, a kind of photonic crystals is constructed to generate photonic band gaps with proportioned central frequencies. This technology can be used for designing nonlinear PCs for harmonic generation.     

一维液晶光子晶体透射谱的研究

一维液晶光子晶体在光滤波器、低阈值激光器和光开关等领域有着很好的应用前景。研究了一维液晶光子晶体的透射谱,电压范围在0～10V内,光谱调谐范围约为50nm,透射峰半高宽为18nm,禁带宽度近400nm。进一步提出了非偏振光型液晶光子晶体,设计了相互垂直0°扭曲取向的双液晶层一维液晶光子晶体器件。双液晶层起到了对各向偏振光光程的补偿作用,使得禁带中的两个透射峰合并为一个透射峰,加强了光强度,增强了滤波性能。     

Band gaps of two-dimensional photonic crystal structure using conjugated polymer (3-octylthiophenes)

The possibility of using conjugated polymer (3-octylthiophenes, P3OT) as two-dimensional (2D) photonic band gap crystals was investigated. The different aspects were examined of the absolute photonic band gap (PBG) formation for 2D photonic crystals (PCs) consisting of P3OT pillars in air. The formation of PBG was exhibited and confirmed by a calculation of transfer matrix method (TMM). It was found that P3OT triangular structure could be good candidate for absolute inhibition of reflection in ultraviolet frequency region for given orientation.     

三维光子晶体典型结构完全禁带的最佳参数理论分析

基于平面波展开法，理论分析了晶格结构、填充率、介电常数比等因素对fcc，diamond，woodpile三种三维光子晶体典型结构完全禁带的影响.三种结构中，fcc结构由于高对称性导致的能级简并，只适用于密堆积排列的反蛋白石结构；diamond结构非常容易产生高带隙率的完全禁带，并且可以通过调节多项参数得到所需的完全禁带；woodpile结构参数调节范围比较宽，为实验制备带来方便.对于不同的三维光子晶体结构，随着介电常数比的增大，完全禁带的宽度和带隙率也会随着增大.还发现了一些以前未引起注意的现象. 关键词： 三维光子晶体 完全禁带 介电常数比 带隙率 平面波展开法     

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.     

FDTD法对二维正方格子光子晶体带隙的数值计算

通过optiFDTD模拟软件对二维椭圆柱构造的正方格子光子晶体的禁带特性进行了数值模拟。分别研究了在空气中椭圆介质(Ge,Si,GaAs)柱和在介质(Ge,Si,GaAs)中椭圆空气柱构造的二维正方格子光子晶体中椭圆柱的横轴半径和纵轴半径的大小,以及椭圆柱的不同旋转角度对光子禁带的影响;并计算出了在上述两种情况下的空气和介质中的最优结构参数。     

基于量子阱效应的光开关

把三块各带有一个缺陷的光子晶体结合起来,如果中央晶体的缺陷模处在两侧晶体的禁带中,缺陷模内的光波会受到两侧晶体的阻碍并被局域在中央晶体内,形成量子阱结构;若一侧晶体的缺陷模被移动到中央晶体缺陷模处,则只有一侧晶体阻碍在中央晶体缺陷模内传播的光波,量子阱效应完全消失,光的传输受到最大程度的阻碍.这种结构可同时具有窄带滤波器和光开关的功能,据此提出了一种高效的、灵敏的光开关的设计.采用传输矩阵法计算了一维光子晶体的透射谱和场分布.     

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。     

外磁场与温度对低温超导光子晶体低频禁带特性的影响

文中用传输矩阵法(TMM)分析了TM波垂直入时,超导光子晶体的低频禁带特性,并讨论了外磁场与温度对禁带的影响.分析结果表明:超导光子晶体存在频率从0开始的低频禁带;当没有外磁场作用时,由于超导中正常态电子的影响,低频禁带的截止频率与温度无关;有外磁场作用时,温度才对截止频率具有可调性.外加恒定磁场时,低频禁带的截止频率随温度升高而减小;而在正常态电子的作用下,温度对处在超导态超导光子晶体禁带截止频率的调节范围相对忽略正常态电子情况下减小.恒温下,通过调节外磁场来控制带隙时,正常态电子的贡献很小可忽略不计;外磁场强度增大禁带截止频率减小.当超导体完全处于正常态时,低频禁带消失.     

Two-dimensional function photonic crystals

In this paper, we have studied two-dimensional function photonic crystals, in which the dielectric constants of medium columns are the functions of space coordinates , that can become true easily by electro-optical effect and optical kerr effect. We calculated the band gap structures of TE and TM waves, and found the TE (TM) wave band gaps of function photonic crystals are wider (narrower) than the conventional photonic crystals. For the two-dimensional function photonic crystals, when the dielectric constant functions change, the band gaps numbers, width and position should be changed, and the band gap structures of two-dimensional function photonic crystals can be adjusted flexibly, the needed band gap structures can be designed by the two-dimensional function photonic crystals, and it can be of help to design optical devices.     

Photonic band gaps structure properties of two-dimensional function photonic crystals

The tunable two-dimensional photonic crystals band gap, absolute photonic band gap and semi-Dirac point are beneficial to designing the novel optical devices. In this paper, tunable photonic band gaps structure was realized by a new type two-dimensional function photonic crystals, which dielectric constants of medium columns are functions of space coordinates. However for the two-dimensional conventional photonic crystals the dielectric constant does not change with space coordinates. As the parameter adjustment, we found that the photonic band gaps structures are dielectric constant function coefficient, medium columns radius, dielectric constant function form period number and pump light intensity dependent, namely, the photonic band gaps position and width can be tuned. we also obtained absolute photonic band gaps and semi-Dirac point in the photonic band gaps structures of two-dimensional function photonic crystals. These results provide an important theoretical foundation for design novel optical devices.     

非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性研究

用时域有限差分法（Finite-Different Time-Domain,FDTD）中的电流密度卷积（Current Density Convolution,JEC）算法讨论了一维非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性,分析了非磁化等离子光子晶体的周期结构和等离子体参量对其禁带周期的影响.以微分高斯脉冲为激励源,用电磁波通过非磁化等离子体光子晶体后所得的透射系数来讨论非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性.结果表明,通过改变参量可以获得不同的禁带周期特性.