用时域有限差分法研究二维光子晶体传输特性

将时域有限差分方法用于光子晶体传输特性理论研究，分别计算了二维方型光子晶体TM模和TE模的透射率频率分布；根据光子晶体的标度不变性特征，在微波频段制作了光子晶体，并设计了实验装置；实验结果与计算结果一致表明：对于一定的入射方向，某些频率的光不能在光子晶体中传播。     

二维三角晶格光子晶体三通道解波分复用器

为了实现结构紧凑、高透射率的解波分复用功能,在二维三角晶格光子晶体平板上设计了一个φ形的三通道解波分复用器,通过在该光子晶体结构引入合适的线缺陷和点缺陷,使得在光子禁带中出现了局域缺陷态,利用该缺陷态模式,可以控制波的传播和耦合,从而实现解波分复用的功能,通过用平面波扩展法和时域有限差分法对此解波分复用器进行了能带和传输特性分析,找到了具有合适缺陷志频率的光子晶体结构参量,实现了透过率高达80％的解波分复用功能.     

光控二维光子晶体光开关

提出了一种调节液晶光子晶体光子带隙的方法。二维三角介质柱形光子晶体位于2块熔凝石英片之间,在介质柱之间填充各向同性排列的液晶,受偏振紫外光照射后,光诱导液晶分子定向排列,通过光诱导液晶分子取向改变液晶的折射率。数值模拟结果表明：通过外界光场控制所填充的向列相液晶分子的方向可以对这种二维三角形介质柱光子晶体的禁带结构进行调节。该可调光子晶体可控制波导中TM模和TE模的选择性传输,因而可应用于制作全光光开关。     

二维三角晶格光子晶体三通道解波分复用器

为了实现结构紧凑、高透射率的解波分复用功能,在二维三角晶格光子晶体平板上设计了一个ψ形的三通道解波分复用器.通过在该光子晶体结构中引入合适的线缺陷和点缺陷,使得在光子禁带中出现了局域缺陷态.利用该缺陷态模式,可以控制波的传播和耦合,从而实现解波分复用的功能.通过用平面波扩展法和时域有限差分法对此解波分复用器进行了能带和传输特性分析,找到了具有合适缺陷态频率的光子晶体结构参量,实现了透过率高达80%的解波分复用功能.     

向列相液晶缺陷光子晶体透射光谱偏振敏感特性研究

研究了向列相液晶缺陷TiO2和SiO2交替的光学多层膜一维光子晶体透射谱偏振敏感特性。外电压下透射光谱测试和模拟结果显示,对于平行取向的向列相液晶,当自然光垂直入射时,禁带中两处出现e(TE模式)光和o光(TM模式)透射峰,具有偏振敏感性。随着电压增大,e光透射峰蓝移与o光透射峰合二为一,光谱可调谐范围分别为31和34nm;而对于取向混乱的向列相液晶,禁带中两处出现独立的透射峰,无偏振敏感性。随着电压增大峰位也蓝移,光谱可调谐范围分别为64和15nm。通过混乱取向液晶分子,可以使o光和e光有效折射率值相等,获得偏振不敏感特性。     

一维光子晶体的透射谱特性

利用传输矩阵法研究了一维光子晶体的透射谱特性,数值模拟得到了可见光波段一维光子晶体中的透射谱特性,计算结果表明可见光波段入射波长变化时,透射谱禁带宽度发生变化。研究结果为可见光波段一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

利用二维光子晶体提高波的耦合效率

通过多重散射方法数值模拟研究和实验测量表明利用二维光子晶体可以提高波的耦合效率.研究发现,高的波耦合效率通常发生在光子禁带的边沿和其它非禁带区的某些频率处.当光子晶体的晶格常数接近于所传输的波的波长时,会出现很高耦合效率的共振耦合现象.利用二维光子晶体的情况下的波耦合效率最高可以达到不利用二维光子晶体时的1.89倍.这种现象在光集成器件中尤其有用.     

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.     

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.     

具有缺陷结构的三角形二维光子晶体结构参量对本征模的影响

通过有限元数值计算得到并图示了具有缺陷结构三角形二维光子晶体本征频率和介质柱半径、晶格常量以及介质柱介电常量之间的关系.利用这些关系可以在一定的范围内增大介质柱半径而相应减小介质柱介电常量,而本征频率基本保持不变.由于光子晶体结构参量的不同,本征模对应的电磁场在晶体中的分布也不同,图示了电场强度的大小在一些结构中的分布.由此可以掌握光子晶体结构参量对缺陷本征模的影响.     

不同参数对一维光子晶体透射谱的影响

利用传输矩阵法计算并分析了垂直入射下一维光子晶体的透射谱特性,数值模拟得到两种介质的折射率不变,入射波长减小时中心波长减小,禁带宽度变窄。当入射波长不变时,两种折射率比值变大时禁带宽度变大,实验结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

一维光子晶体禁带特性的研究

应用传输矩阵法研究了一维光子晶体的禁带特性,数值模拟得到了一维光子晶体TE模、TM模和TE/TM模禁带结构,计算结果表明,介质层的厚度发生变化时,禁带宽度发生变化。研究结果为一维光子晶体器件的设计提供了理论依据。     

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。     

不同结构光子晶体的带隙特性

基于平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟了横磁波和横电波在三角晶格和正方晶格构成的二维光子晶体中的带隙特性,得到了三角晶格较正方晶格更容易出现带隙,且三角晶格的横电波光子带隙较大.实验结果为光子晶体器件的设计提供理论依据.     

六角格子光子晶体带隙特性

应用平面波展开法研究光子晶体的带隙特性,数值模拟空气圆柱半径与晶格常数的比值变化时,TE模和TM模禁带特性,得出六角晶格光子晶体具有较大的TE模和TM模光子禁带带隙,并且具有较高的带隙宽度重合范围。结果为光子晶体器件的制作提供理论依据。     

金刚石结构三维光子晶体带隙特性的研究

应用平面波展开法研究了三维光子晶体的带隙特性,得到了随着填充率及材料的变化带隙的变化规律,结果为三维光子晶体器件的开发提供了理论依据。     

窄禁带光子晶体能态密度的研究

利用平面波展开法研究了窄禁带光子晶体材料的能态密度分布情况,得到了窄禁带材料构成的三角晶格光子晶体能态密度随着介电常数差值的增大而增大,并且分析了氮化镓在f=0.3时,能态密度分布最小,出现最大光子带隙。研究结果为窄禁带光子晶体器件的构造提供理论依据。     

斜入射角对二维正方形光子晶体带隙的影响

利用平面波法导出了光子晶体本征方程的矩阵形式,以此为基础计算了二维空气孔型正方形光子晶体在正入射时及斜入射时的带结构,并将带结构中混杂在一起的TE波和TM波的模式分离开来以分析斜入射角对带结构的影响.计算结果显示用电场E表示和用磁场H表示计算出来的结果完全一样,与电磁场是相互统一的结论完全吻合.研究还发现,TE波和TM波的第一带隙是完全分开的.随着波矢k的倾斜角度的增大,TE波的第一带隙逐渐减小并在波矢在（－1,0,1）平面内时完全消失.而TM波的带结构则随着波矢k的倾斜角的增大而变得平坦,带隙也是先随之增大,后又逐渐变小直至消失.     

喇叭型开口光子晶体波导的传输谱研究

设计一种喇叭型开口二维光子晶体波导,利用时域有限差分法计算波导传输谱图。模拟结果表明：通过改变开口处光子晶体椭圆点缺陷的结构,传输谱图中将出现相应变化的缺陷模,可用于实现频率可调的窄带光子晶体滤波器。