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。     

用TMM数值模拟波源对二维光子晶体带隙的影响

把传移矩阵法(Transfer Matrix Method)用于数值模拟二维光子晶体传输特性,计算了若干波源情况下二维圆柱光子晶体的传输函数随频率的变化。计算结果表明敞源会影响光子晶体的带隙,带隙与采用平面波源还是用高斯波源有关,在同一波源下带隙与入射角有关。     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

同轴波导中二维金属光子晶体的电磁特性

在同轴传输线内外筒之间引入金属支撑杆,建立了同轴传输线中二维金属光子晶体的物理模型。利用等效电路方法分析其传播情况,通过低频和高频近似得到了两个特征频率。其中,金属光子晶体的第一个带隙从零频开始,到第一特征频率截止;第一个通带从第一特征频率开始,到第二特征频率截止;第一、第二特征频率与金属光子晶体的等效电参数相关。利用CST软件对模型进行了仿真计算,验证了等效电路分析结果的合理性。仿真结果显示,在沿纵向具有N个周期的有限结构中,光子晶体通带分裂成(N-1)个传输峰。并根据其电场分布得到了色散曲线。     

部分空气桥式硅膜二维光子晶体

描述在Si基底上制备带隙在近红外波段部分空气桥式二维光子晶体（PC）.选用HF酸溶液作为腐蚀液，利用聚焦离子束刻蚀技术直接刻蚀出具有三角形空气洞结构的二维PC，并测出了二维PC完整的第一带隙透过谱的带隙范围为123—155μm.实验测得的透过谱与理论计算的空气桥式二维PC的计算结果一致.类TM0模的存在减小了带隙的宽度.由于部分SiO2支撑桥式平板，二维PC易于按所需尺寸进行制备.同时，通过改变平板下的支撑材料，可以制出有源的PC，利用这种机理可以把光从支撑材料中引出. 关键词： 二维光子晶体 带隙 平板波导     

用传输矩阵法(TMM)研究二维光子晶体传输特性

将传输矩阵法(TMM)用于光子晶体传输特性的理论研究，采用Mur近似吸收边界和周期边界来截断计算区域，研究了以TM模正入射时，二维方格子光子晶体在完整周期结构下和有缺陷结构下的透过率谱；在微波波段制作了光子晶体模型，并设计了实验装置；实验与数值模拟计算取得了基本一致的结果。     

二维各向异性光子晶体完全带隙的增宽

介绍了光子晶体能带设计的一种新机制,利用各向异性材料制作二维光子晶体,可以大大提高光子晶体的完全带隙宽度。     

二维介质柱光子晶体波导的优化设计

通过改变靠近导光区域介质柱的直径和周期,优化设计了二维介质柱光子晶体波导.结果表明：单独增大和减小柱的直径以及增大柱的周期不能提高波导的传输特性;单独减小柱的周期能提高波导的传输特性,获得传输系数小于1 dB,带宽80 nm的波谱;同时减小柱的直径及周期能够极大的提高波导的传输特性,得到了带宽为150~250 nm,传输系数小于1 dB的波谱.     

高品质因子和高传输效率的二维光子晶体耦合腔波导研究

基于时域有限差分方法,通过仿真计算设计了一种具有较高品质因子和传输效率的二维光子晶体耦合腔波导结构。通过改变二维光子晶体波导微腔结构中隔绝波导与微腔的空气孔的半径和数量,在获得近似90%的传输效率的同时,使得品质因子达到了8.20×104。为了使品质因子在大幅度提高的同时,传输效率只有小幅度的降低,在波导微腔结构中引入了链式微腔。将链式微腔结构与传统的波导微腔结构相结合,使这种新形式的耦合腔结构的品质因子提高了1个数量级,传输效率仅下降了约40%。     

二维正方格子磁性光子晶体的带隙结构

采用平面波展开的方法计算了正方格子二维磁性光子晶体(MPC)的光子带隙结构.散射子的形状分别为：长方形，正方形，六角形和圆形.通过调节磁导率，填充率和散射子的旋转角度，找到了MPC各种结构的最大的绝对带隙宽高比ω_R.研究发现：随着磁导率的增加，MPC绝对带隙中心频率ω_g单调减小，绝对带隙宽度Δω和其宽高比ω_R可能不同时达到最大值.而随着填充率或者散射子旋转角的增加，基本不改变ω_g的大小，各种结构的Δω和ω_R同时达到最大值. 关键词： 磁性光子晶体 光子带隙结构     

利用复式晶胞实现二维正方形布拉菲格子光子晶体的完全带隙

利用较为简单的正方形布拉菲格子，采用复式晶胞实现了简单晶胞所不能实现的二维光子晶体的完全带隙，并用优化算法对复式晶胞的结构参数进行了讨论，得到了具有完全的、带隙宽度尽量大的二维光子带隙材料结构- 关键词： 光子晶体 正方形布拉菲格子 复式晶胞 二维完全光子带隙     

2维光子晶体中的掺杂效应数值研究

把平面波展开方法(PWM)用于2维光子晶体掺杂情况下透射特性的研究,计算得到了粗细不同的空气柱掺杂、相同半径不同介质柱掺杂、不同柱体形状掺杂情况下2维光子晶体的透射系数与入射光频率的关系曲线。结果表明2维光子晶体的禁带的宽度、位置、透过率与掺杂体半径、掺杂体介电常数、掺杂体柱体几何形状等因素有关,掺杂因素相差越大透射曲线变化越明显,特别是损耗介质的掺入更使得禁带可调要素增加。     

Numerical studies of 2D photonic crystals: Waveguides,coupling between waveguides and filters

In photonic crystals, light propagation is forbidden in a certain wavelength range, the bandgap. In a two-dimensional crystal composed of parallel high-refractive index rods in a low-index background a line defect can be formed by removing a row of these rods, which can act as a waveguide for frequencies in the bandgap of the crystal. In order to get more insight into the main features of such waveguides we have studied a number of properties, using simulation tools based on the finite difference time domain method and a finite element Helmholtz solver. We show conceptually simple methods for determining the bandgap of the crystal as well as the dispersion of a waveguide for wavelengths in this bandgap. For practical applications, it is also important to know how much light can be coupled into the waveguide. Therefore, the coupling of light from a dielectric slab waveguide into the photonic crystal waveguide has been examined, showing that a coupling efficiency of up to 83% can be obtained between a silicon oxide slab and a waveguide in a crystal of silicon rods. Finally, calculations on an ultra-compact filter based on reflectively terminated side-branches of waveguides (similar to tuned stubs in microwave engineering) are shown and discussed.     

二维圆柱形光子晶体的完全禁带研究

用平面波展开法研究了二维圆柱形光子晶体的完全禁带与填充比、介电常数比之间的关系. 研究发现,并非介电常数比越大,完全禁带宽度就越大,而是有一个峰值. 关键词： 二维光子晶体 完全禁带 平面波展开法     

Graphite格子光子晶体带隙的数值模拟

采用平面波展开法模拟计算了由锗圆柱构成的Graphite格子二维光子晶体的带隙结构,发现由空气背景中的介质柱构成的二维Graphite格子结构的光子晶体具有完全光子带隙,并得到了使完全带隙最大化的结构参数。数值计算结果表明,Graphite结构二维光子晶体在填充比从f=0.058到f=0.605连续变化的很大范围内都有完全带隙出现,在低能区出现了Δ=0.053(ωa/2πc)的较大带隙。     

Numerical study on characteristic of two-dimensional metal/dielectric photonic crystals

An improved plan-wave expansion method is adopted to theoretically study the photonic band diagrams of twodimensional(2D) metal/dielectric photonic crystals.Based on the photonic band structures,the dependence of flat bands and photonic bandgaps on two parameters(dielectric constant and filling factor) are investigated for two types of 2D metal/dielectric(M/D) photonic crystals,hole and cylinder photonic crystals.The simulation results show that band structures are affected greatly by these two parameters.Flat bands and bandgaps can be easily obtained by tuning these parameters and the bandgap width may reach to the maximum at certain parameters.It is worth noting that the hole-type photonic crystals show more bandgaps than the corresponding cylinder ones,and the frequency ranges of bandgaps also depend strongly on these parameters.Besides,the photonic crystals containing metallic medium can obtain more modulation of photonic bands,band gaps,and large effective refractive index,etc.than the dielectric/dielectric ones.According to the numerical results,the needs of optical devices for flat bands and bandgaps can be met by selecting the suitable geometry and material parameters.     

Silica glass bend waveguide assisted by two-dimensional photonic crystals

In this paper we report on the modeling of low index contrast silica glass 90° bend ridge waveguides assisted by a two-dimensional photonic crystal. A three-dimensional finite-difference time-domain (3D-FDTD) based computer code has been used in order to evaluate the transmission characteristics and the in-plane losses of the investigated waveguides having different values of the bend radius. The performance of the bend structure surrounded by two-dimensional photonic crystals is compared to that of a classical bend ridge waveguide and the phenomenon of light confinement is critically analyzed. The device design is optimized for quasi-TM polarization at the wavelength of 1.3 μm.     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.     

光子晶体自准直光束偏振分束器

结合能带图和等频图分析,基于光子晶体自准直效应和光子带隙,设计了一种紧凑、高效的偏振分束器.时域有限差分法(FDTD)模拟表明,该设计可以在一个较大的频率范围f=0.268—0.278(c/a) 内实现TE模和TM模的高效(85%)、大角度(90°)分离.在光通讯波长λ=1.55 μm,该设计尺寸仅为9 μm×9 μm.这些特性使其在光通讯领域中具有重要的应用前景. 关键词： 光子晶体 偏振分束器 自准直