左右手材料光子晶体带隙及表面波局域电场特性

为研究与设计新型光波导和光学传感器，通过参数匹配，并利用平面波展开的传输矩阵理论及布洛赫定理，研究左右手材料光子晶体的能带结构、表面波局域电场分布等，结果表明:零平均折射率左右材料光子晶体能带中存在的半封闭状和封闭状禁带结构，且通带中的能级曲线由高频向低频方向振荡衰减并简并。添加表面覆盖层介质后，部分半封闭状及封闭状禁带中出现正向波和反向波分立能级，分立能级随覆盖层厚度增大向波矢减小方向移动，半封闭状禁带中的分立能级在覆盖层厚度达到一定数值时出现分裂现象。禁带中正向表面波局域电场极大值均处于覆盖层与光子晶体表面交界处附近，并随覆盖层厚度增大或远离交界处而衰减，封闭状禁带对应的局域电场极大值对覆盖层厚度的响应灵敏度弱于半封闭状禁带。禁带中的反向表面波局域电场及其极大值均处于光子晶体内部，而且随覆盖层厚度增大而增强，封闭状禁带对反向表面波的局域限制作用、表面波与入射光的耦合作用、局域电场对覆盖层厚度的响应灵敏度等强于半封闭状禁带。     

1维光子晶体的能带结构分析

为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。     

对称结构光子晶体表面Tamm态的光学性质

利用传输矩阵理论和等效原理,从能级的角度研究对称结构光子晶体表面Tamm态的光学性质,结果表明:在有限排列周期结构光子晶体中,介质表面可支持表面Tamm态的存在,且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象,离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了光学Tamm态；表面Tamm态内存在很强的局域电场,而且局域电场在介质界面处分布最强；表面Tamm态内的能量输运,对于低折射率介质可正反两方向输运,且输运速度快,对于高折射率介质只能正向输运,且输运速度较慢,故在高折射率介质界面处形成很强的局域光场。对称结构光子晶体表面Tamm态光学性质可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。     

正负折射率交替结构光子晶体能带的色散研究

为了研究正负折射率交替结构光子晶体的能带,利用光子晶体的色散关系,计算了正负折射率交替结构光子晶体的能带随入射角、随折射率、随光学厚度的变化特征。得出:其禁带非常宽,允许带非常窄,禁带的中心频率和宽度对入射角的变化不敏感。正折射率材料的折射率变化对禁带的中心频率和宽度影响也很小,正折射率材料选用不同折射率的介质都能得到频率宽度很大的禁带。能带的这些特征对设计宽频率的全方位反射器很有价值。     

对称结构光子晶体的表面光学Tamm态

利用传输矩阵理论和等效原理,从能级的角度研究对称结构光子晶体表面光学Tamm态,结果表明:当光子晶体的排列周期无限大时,入射介质与光子晶体间不满足阻抗匹配条件,从而不出现表面光学Tamm态;当光子晶体被截断成有限周期时,其表面可支持表面光学Tamm态的存在,且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象,离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了表面光学Tamm态;当光子晶体截断参数与最外层高折射率介质匹配时,容易形成束缚性较强的表面光学Tamm态,与最外层低折射率介质匹配时,则难以实现表面光学Tamm态;通过ATR全反射技术对光子晶体表面态进行激发可观察到被激发的耦合共振吸收现象。对称结构光子晶体表面光学Tamm态的特性可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。     

含色散负折射率缺陷一维Sinc函数型光子晶体的光学传输特性

应用传输矩阵法对含色散负折射率缺陷一维sinc函数型光子晶体的光学传输特性进行了研究。结果表明:含色散负折射率缺陷的sinc函数型光子晶体比含同样缺陷的余弦函数型光子晶体具有更宽阔的光子禁带;该光子晶体的禁带宽度随着介质层折射率nB(0)、nA(0)或半周期厚度的增大迅速收缩变窄,缺陷模消失;当光波入射角增大时,禁带宽度变宽,缺陷模与禁带一起红移;计算还发现该禁带结构对色散负折射率缺陷层的位置变动十分敏感;但是,缺陷层厚度的变化不会改变禁带的位置和宽度,此时缺陷模会随着缺陷层厚度的增大向着禁带中心移动。这些结论对一维函数型光子晶体的设计具有重要参考意义。     

基于厚度精确法用遗传算法搜索一维宽带隙光子晶体

本文用遗传算法设计了大禁带的一维光子晶体.用传输矩阵法计算光子晶体能带.光子晶体的初始结构由计算机随机产生,通过遗传算法对光子晶体结构进行了优化,得到最大全方位相对禁带宽度(定义为禁带宽度与禁带中心之比)的一维光子晶体.发现由多种介质材料构建多层的一维光子晶体原胞时,折射率最大和最小的两种材料构成的两层结构的光子晶体相对禁带宽度最大,而且一维两层结构光子晶体的全方位禁带宽度随着两种介质折射率差的增大而增大,最后会达到一个饱和值200%.并研究了TM、TE模式的相对禁带宽度与光入射角的关系.     

负折射激活介质一维光子晶体超窄带滤波器研究

把一维时域有限差分方法用于可见光区一维光子晶体超窄带滤波设计研究,首先适当选择完整的一维二元光子晶体参数找到可见光区中的禁带,然后在完整一维光子晶体中间引入缺陷层可得到在某一波长出现超窄通带.进一步研究缺陷层参数物理厚度、折射率对超窄带的位置、透过率的调节,数值结果表明当缺陷层用无损介质时超窄通带的中心波长与缺陷层物理厚度、折射率有很大关系,透过率与它们关系不大.当介质是有损或激活介质时超窄通带的中心波长与介质折射率虚部消光系数、激活系数大小无关,消光系数越大透过率越小,激活系数与透过率没有线性关系但有最大值出现,当缺陷层介质是负折射材料时折射率数值在一定范围内取值同样会出现窄带滤波特性,折射率数值绝对值较大时在可见光区禁带中会出现多个透过峰.     

磁回旋材料柱结构光子晶体平板的单向边界模式

研究了在外加恒定磁场下,旋磁材料柱按蜂窝状晶格排列的光子晶体平板的边界所支持的电磁表面波模式。研究首先表明,在光子晶体平板的光子能带结构中,最低二条能量曲线原有的简并点,可以用外加磁场来解除,从而在这二个能带之间形成一个禁带。进一步的研究表明,基于这个光子禁带,光子晶体板平板边界所支持的表面波模式只能单方向传播,归因于系统的时间反演对称性被外磁场所破坏。这个三维系统中的单向边界模式,在平板的法向方向上,是依赖于等效全反射效应而被约束的。     

材料色散对1维光子晶体缺陷模影响的研究

为了分析材料色散对缺陷模的影响,对色散材料采用洛伦兹振子模型,利用传输矩阵法计算了含缺陷1维光子晶体的透射谱,分析了各层的色散对该结构1维光子晶体缺陷模的影响。结果表明,无论是高、低折射率介质还是缺陷层的色散都可以引起缺陷模的频移或分裂;缺陷模的频移方向与考虑色散后光学厚度的变化有关,如果光学厚度增大,则发生红移,反之则发生蓝移;低折射率介质的色散使缺陷模频移的效果最显著。这一结果对光子晶体的设计和研究有一定的参考价值。     

1维3元磁化等离子体光子晶体传输特性分析

为了研究1维3元磁化等离子体光子晶体的传输特性,采用传输矩阵法得到了TE波通过1维3元磁化等离子体光子晶体后的左旋和右旋极化波的传输特性,用计算得到的透射系数来讨论了周期常数、介电常数、介质层厚度和等离子体参量对其传输特性的影响。结果表明,改变介电常数、介质层厚度和等离子体频率可以实现对禁带数目和宽度的调谐,改变周期数和等离子体碰撞频率不能影响禁带带宽;等离子体回旋频率仅仅能影响右旋极化波的禁带带宽,对左旋极化波的禁带带宽无影响。这为设计1维3元磁化等离子体光子晶体器件提供了理论参考。     

含正负介质光子晶体在角度入射情况下的带隙结构变化

采用传输矩阵法研究了在角度入射情况下由PIM/NIM组成的一维光子晶体的透射谱,得到其带隙结构的变化规律:光子晶体的带隙结构会随着入射角的改变而改变,尤其对于色散的NIM与PIM组成的一维光子晶体,在nN≈0附近会产生一个新的带隙,新带隙的中心位置保持不变,但宽度会随着入射角的增大而变宽;第一级Bragg隙的中心位置和隙宽也随着入射角的变化而变化,这为二次谐波效应实现完全相位匹配创造了条件.     

缺陷对光子晶体透射能带谱的简并效应研究

为了设计高品质、高性能的光学滤波器和光开关,利用传输矩阵法通过数值计算模拟的方式绘制1维光子晶体的透射能带谱,研究和分析了两缺陷之间距离和缺陷的厚度对光子晶体透射能带谱的简并效应。结果表明,当两缺陷之间距离越大,透射能带谱简并效应越明显,当间距增大到一定数值时,出现分立透射峰完全简并现象;当缺陷厚度整数倍增大时,光子晶体透射能带谱出现简并的趋势,但缺陷厚度奇数倍增大与偶数倍增大时,透射能带谱简并速度不一样,前者的简并速度小于后者的简并速度;缺陷厚度无论是奇数倍增大还是偶数倍增大,光子晶体透射能带谱简并的速度均逐渐减小。缺陷对光子晶体透射能带谱简并效应的调制规律,为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关及其调制机制等提供了指导。     

含梯度折射率缺陷的一维光子晶体滤波性能研究

为实现一维光子晶体更优越的滤波特性,引入渐变折射率缺陷层,可以抑制某些特定频率的电磁波,产生光子禁带。利用时域有限差分（FDTD）法,严格求解麦克斯韦方程组。研究了缺陷层的折射率变化为抛物线型时对应的透射率谱线,并分析了周期介质层的折射率比、厚度比及周期数,对滤波性能的影响。研究表明,增加折射率比,含梯度折射率缺陷层的一维光子晶体可以实现更大的滤波带宽;改变厚度比,可以影响透射峰位置;改变周期数,则可以影响透射率。这一研究结果对提高光子晶体滤波器性能具有一定参考价值。     

色散对圆柱形光子晶体波导传输模式的影响

利用材料的色散关系和特征矩阵法研究了一维圆柱形光子晶体波导中TE波和TM波模式禁带的变化特征,得出了TE波和TM波模式禁带随色散强度、色散厚度的变化规律.色散强度和色散厚度都会对一维圆柱形光子晶体波导中TE波和TM波的模式禁带产生影响.利用TE波和TM模式禁带随色散强度、色散厚度的变化规律,可实现对一维圆柱形光子晶体波导中TE波和TM波各传输模式的有效控制.     

〔A（BC）〕^m结构光子晶体光纤传输特性

通过引入缺陷和色散介质方法,调控光子的运动状态,研究一种〔A（BC）〕m结构负折射率光子晶体的TE波和TM波的传输特性和色散特性,得到两种模的色散特性随入射角变化而变化规律,并且其带隙比普通光子晶体的大,而透射带要窄。通过运用传统计算电磁场与电磁波传播的FDTD方法及PML边界条件来仿真〔A（BC）〕m结构光子晶体光纤...     

压缩六角格子[A(BC)]m结构光子晶体禁带特性

通过引入缺陷和色散介质方法,调控光子的运动状态,研究一种压缩[A(BC)]m结构负折射率光子晶体的TE波和TM波的传输特性和色散特性,研究发现两种模的禁带特性随入射角和色散介质折射率的变化而变化,并且其带隙比普通光子晶体的大,而透射带要窄,这为高品质低损耗的谐振腔、微波天线、透射光栅、光波导等新器件的研制提供理论依据.     

矩形波导中左右手材料光子晶体的色散特性研究

研究了在矩形波导E平面填充的一维周期或准周期左右手材料光子晶体中电磁波的色散特性。采用传输矩阵法推导出一种适用于任意一维光子晶体E面填充矩形波导的2×22×2阶特征矩阵。定量分析了周期光子晶体中单元结构的重复次数、光子晶体的排列方式(周期,斐波那契,Thue-Morse和Octonacci排列)、及左手/右手材料介电常数等变量的改变对纵剖面电模式(LSE)色散特性的影响。结果表明,在矩形波导E面填充一维左右手材料光子晶体可以实现带隙特性,并且带隙的宽度和频谱位置受到左右手材料的介电特性及光子晶体排列方式的影响。该结构支持2个通带,一个是高于基模截止频率的正向波传播频带;另一个是显著低于基模截止频率的后向波传播频带。因此,在矩形波导E面填充左右手材料光子晶体为小型化波导和小型化滤波器的设计提供了新的思路。