光子晶体中矢量的Bloch定理

众所周知,在半导体中,由于势场的周期性,使得电子的能量呈带状结构,带和带之间可能有间隙带隙;它可以通过解周期场下的薛定谔方程来得到.光场的亥姆霍兹方程十分相似;因而当介电常数具有周期性时,在光子晶体能带结构中也可能存在带隙,频率落在光子带隙内的光波不能在光子晶体中传播.这种类似半导体的周期性电介质结构称为光子晶体.这种材料有一个显著的特点是它可以利用带结构中可能存在的带隙,如人所愿的控制光子的运动.因此,光子晶体的应用非常广泛,可以制作高性能器件:新型的平面天线、光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜等. Bloch定理是光子晶体理论中平面波方法和传输矩阵法的重要理论基础.本文运用量子力学中的算符理论,将Bloch定理由标量场推广到矢量场;发现这是电介质材料具有空间平移对称性的直接结论.(PH12)     

光子晶体中矢量场的Bloch定理

光场的亥姆霍兹方程与薛定谔方程十分相似,因而当介电常数具有周期性时,在光子晶体能带结构中也可能存在带隙.频率落在光子带隙内的光波不能在光子晶体中传播.这种类似半导体的周期性电介质结构称为光子晶体,它有一个显著的特点是可以利用带结构中可能存在的带隙,如人所愿的控制光子运动.光子晶体的应用非常广泛,可以制作高性能器件:新型的平面天线、光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜等. Bloch定理是光子晶体理论中平面波方法和传输矩阵法的重要理论基础.文章运用量子力学中的算符理论,将 Bloch定理由标量场推广到矢量场;发现这是电介质材料具有空间平移对称性的直接结论.(OA12)     

光子晶体波导的非线性局域模

用光子而不是电子作为信息载体 ,最有希望的光学材料是光子带隙晶体。在这种晶体中介电常数的周期结构调制能可控地禁止光波在特定波带中的传播。在光子带隙材料基础上提出的微观光操纵器件中特别感兴趣的是小心制造的浅缺陷 ,这种浅缺陷能在全光微芯片中起波导作用。最近 ,Tokushima等人演示了将 1 .55μm波长的光弯曲成 1 2 0°的波导传播 ,该弯波导是在三角形晶格二维光子晶体中做成。对于用具有非线性响应材料组成的光子晶体或嵌有非线性杂质的光子晶体 ,可以通过改变光强来实现光子晶体波导性质的动态可调。在这种情况下高强度光能通…     

光子晶体的研究进展

光子晶体是一种具有光子带隙的周期性电介质结构,落在光子带隙中的光不能传播.由于其独特的调节光子传播状态的功能,成为实现光通讯和光子计算机的基础.光子晶体的制备是发展光子晶体的关键,而可见光和近红外波段光子晶体的制备更是难点.本文阐述了光子晶体的概念及其特性后,分别介绍了光子晶体的实验研究和应用研究.实验研究重点介绍了光子晶体的制备方法.应用研究重点介绍了单模发光二极管光、光波导器件和微波天线等.     

球状光子晶体滤波器

设计一种球状光子晶体滤波器,应用特征矩阵的方法研究了光波在其中的传播规律,发现它同其他光子晶体一样,存在周期性的带隙结构,与一维和二维光子晶体相比较,具有全方向的滤波功能.     

光子晶体齿状波导的滤波特性研究

为了设计基于光子晶体波导的高性能滤波器件,在2维正方格子光子晶体波导结构中引入一系列齿状缺陷,采用有限元法对齿状光子晶体波导的传输特性进行了数值仿真和理论分析。结果表明,对于单个齿状缺陷,缺陷产生的共振频率使得在光子晶体波导通频域带出现带隙结构,可以实现良好的窄带滤波,并且通过改变齿状缺陷深度可以有效地控制缺陷的共振频率;引入多个齿状缺陷,缺陷之间会经过耦合作用形成一系列缺陷态,使得在光子晶体波导导通频域中出现宽带的带隙结构,可以实现宽带滤波。该光子晶体波导滤波器对窄/宽带滤波可根据波导结构中引入的齿状缺陷进行简单灵活调节。此研究在设计基于光子晶体波导的光子滤波器件方面具有潜在的应用价值。     

二维光子晶体三角形结构带隙研究

通过改变二维光子晶体三角形结构的晶格元胞半径、晶格周期和厚度,模拟其带隙变 化,分析变化规律,为二维光子晶体集成波导提供理论基础。     

基于SOI的光子晶体波导的研究

给出了基于SOI晶片、带隙中心位于1550nm的光子带隙材料及光子晶体波导器件的设计方法。采用基于超原胞的平面波展开法和基于完美匹配层边界条件的三维时域有限差分法,对二维光子晶体平板的带隙结构及光波传输进行仿真。在大量计算和优化的基础上,设计了适于248nm深紫外曝光和0.18μm离子束刻蚀工艺的光子晶体带隙材料及波导器件,得到了初步的工艺实验结果和样品SEM测试结果。     

混合光子晶体等离子激元纳米微腔

构建了一种三层混合光子晶体等离子体激元结构,分别为金属银(Ag)层,低折射率二氧化硅(SiO2)层和二维光子晶体层。这种混合光子晶体等离子体激元结构具有明显的横磁模(TM)模式带隙。在二维的光子晶体层的中心引入一个单元胞缺陷,形成缺陷腔结构。这种纳米尺度的光子晶体等离子体微腔的体积远小于传统介质的光学微腔,光子能量可以很好地被局域到低折射率层,实现了深亚波长尺度下的对光的限制。通过改变该混合光子晶体等离子激元结构的参数,利用三维时域有限差分(3D-FDTD)方法,分析了这种混合光子晶体等离子微腔结构的光学特性。分析表明:这种纳米微腔具有极小的模式体积0.0141(λ/n)3和高的Q/V值。     

基于二维光子晶体的微纳全光显示

利用二维光子晶体结构,通过引入线性波导和大小不同的光子晶体微腔,实现对可见光范围内、从红光到紫光各种波长光的分离,并完成向垂直于二维光子晶体结构表面自由空间中的光发射,从而得到微纳结构的全光彩色显示.由于对应于不同波长光的光子晶体微腔大小和在二维平面内的布局可根据需要设计,因而,对红、绿、蓝三色光,若合理设计分另适合于其对应频率的光子晶体微腔,并在二维平面内进行合理布局,可得到自由空间中的全固态白光照明.     

二维复周期光子晶体的带隙结构

提出了由二维六边形结构和三角结构叠合构成的复周期光子晶体 ,利用平面波展开法计算了由空气中的介质圆柱棒组成的该复周期光子晶体的带结构。结果表明二维六边形结构和三角结构叠合构成的复周期结构的光子晶体可以形成很宽的TE波光子带隙 ,并且具有较宽的TE波和TM波带隙重叠的绝对光子带隙     

光子晶体太赫兹波导带隙的研究

提出了一种光子晶体太赫兹波导,该波导包层为硅介质中含有按三角形格子周期排列的空气孔,纤芯为有机材料聚乙烯.这种波导是一种带隙效应波导.首先介绍平面波法(PWM)的理论,然后应用平面波法分析了这种光子晶体太赫兹波导的带隙结构,研究空气填充率变化对光子带隙结构的影响,得到了光子晶体太赫兹波导周期性结构的结构参数及与其相对应的导波频率.分析结果表明,增大空气填充率,可得到多条带隙和较大的带隙宽度,更易于实现纤芯导光.保持空气填充率不变,仅改变空气空间距可以在保持带隙结构不变条件下改变光子晶体太赫兹波导的导光频率.     

二维光子晶体的能带及慢光特性研究

通过二维方形与二维三角晶格光子晶体光纤能带的对比,选取二维三角晶格作为研究对象。介电常数的周期性在光子晶体中可以形成特殊的光子禁带,进而控制光子的运动状态。基于此,提出了一种单线缺陷光子晶体波导结构,通过分析其含有线缺陷时的能带结构及其色散关系、对群速度的影响等,使其有效慢光区域的GVD位于105～106量级。通过动态...     

等离子体填充二维金属光子晶体色散特性研究

 提出了等离子体填充的二维金属光子晶体模型,采用时域有限差分法研究了等离子体填充的二维正方晶格和三角晶格金属光子晶体的色散和带隙特性.对比分析了两种结构中等离子体密度对TM及TE模式传播特性的影响规律.研究发现,由于背景等离子体的引入,二维金属光子晶体的色散曲线明显往高频方向移动,等离子体密度的改变可同时控制TE和TM模的带隙位置和禁带宽度.这些特性使得二维等离子体金属光子晶体在设计可调谐光子晶体器件方面具有潜在的应用价值.     

二维光子晶体正方晶格传播特性的研究

应用平面波展开法研究了二维光子晶体及其波导的传播特性。根据计算得到光波在0．223．5Hz至0.28Hz波段能在波导中很好的传播。并且分析了当圆柱半径从0.1μm至0.5μm发生改变时的带隙规律,研究结果为光子晶体波导器件的开发提供了理论依据。     

二维光子晶体波导和微腔缺陷态研究

利用二维三角晶格及正方晶格介质柱光子晶体TE偏振的禁带与介质柱半径的变化关系,分析了二维光子晶体缺陷态的分布.根据光子晶体波导间的耦合作用,计算其耦合长度设计合理的定向耦合器.通过分析波导与微腔的耦合特性,选取不同的传输方向,可以设计多种基于光子晶体波导与微腔耦合的波分复用系统.     

光子晶体带隙法在溶液浓度测量中的应用

本文从光子晶体带隙理论出发,分析了相对带隙宽度与测量溶液浓度的之间的对应关系,提出了采用光子晶体平面波展开法测定牛奶浓度的新方案。通过研究以硅半导体材料为背景介质周期性排列空气孔圆柱构成的光子晶体,发现在高频率区域,二维三角晶格结构各向同性光子晶体的光子带隙随待测溶液百分浓度不同而单调变化的。这对浓度测量和高血糖患者的临床应用有一定的指导作用。     

GeSbSe光子晶体波导结构设计及传输特性研究

利用平面波展开法计算Ge Sb Se基质光子晶体带隙,研究光子晶体波导中带隙与空气孔(或介质柱)半径的变化关系,并结合光子晶体波导的工作波长,设计出周期为500 nm,半径为150 nm的三角晶格空气孔型Ge Sb Se光子晶体波导。采用时域有限差分法模拟所设计的直线型光子晶体波导和60°弯曲光子晶体波导的传输特性,模拟结果显示在传统结构光子晶体波导中,直线型光子晶体波导具有很高的光学传输效率,但在60°弯曲型波导中的传输效率较低,分析原因为光子晶体波导直线区域与弯曲区域光的传播模式不同。因此对60°弯曲型Ge Sb Se光子晶体波导进行了结构优化,优化后的光子晶体波导可以在较宽的波长范围内具有很高的传输效率。     

混合表面等离子体光子晶体波导

构建了一种金属-绝缘体-半导体混合表面等离子体结构,基于时域有限差分法验证了该结构在归一化频率0.243~0.271 (a/λ) 范围内具有明显的TM模式带隙。在二维光子晶体层移除或改变中间行空气孔半径构成线缺陷,形成混合波导结构1和2。分析表明,入射光频率位于带隙内的光子能量被很好的局域在低折射率层中,且只能沿线缺陷传输。当入射波长为1550nm时,两种波导的传输距离分别为18.41μm和15.70μm,群速度极值分别为0.186c和0.166c,品质因数FoM达到384.74和1042.50。此波导能通过光子晶体层的线缺陷控制低折射率层SPP的传输路径,为波导器件的研究提供了有效的理论基础和依据。     

等离子体光子晶体研究进展

等离子体光子晶体是等离子体学科和光子晶体学科交叉的产物,它不仅具有一般光子晶体的性质,而且还体现等离子体的特性,通过改变等离子体参数或外加磁场可有效控制其带隙。若在可调带隙的等离子体光子晶体中构造适当缺陷,则可形成可调滤波器和波导等器件,这在工程方面具有重要应用。结合本课题组工作,综述了等离子体光子晶体的研究进展,在此基础上,对等离子体光子晶体的发展前景提出展望,为人们进一步研究等离子体光子晶体的特性和应用提供参考。