二维正方柱结构光子晶体禁带的研究

利用平面波展开法通过计算机模拟仿真对二维正方排列介质方柱和空气方柱结构以及三角排列介质方柱和空气方柱结构进行了禁带研究。研究发现：这四种二维光子晶体结构都存在完全禁带。介质方柱结构具有较大的TM禁带,而空气方柱结构具有较大的TE禁带。当介质方柱宽度增大时,禁带中心频率均向低频移动,而当空气方柱宽度增加时,禁带中心频率均向高频移动。当增大材料折射率时,禁带中心频率均向低频移动。对于空气方柱结构,应该选取高折射率材料,以提高完全禁带的带隙率。     

大带隙2维正方晶格光子晶体的优化设计

为了研究2维正方晶格光子晶体的完全带隙特性,采用平面波展开方法模拟了两种结构2维光子晶体,在固定光子晶体周期常数a的前提下,研究了2维正方晶格光子晶体的完全禁带随柱半径和折射率的变化规律。结果表明,以空气为背景的锗介质柱组成的光子晶体,随着半径的增大,完全带隙宽度先增大后减小最后消失,填充比为38.3%时,同时增大介质柱的介电常数,在介质柱折射率为4.2处,完全带隙最大,带宽是0.02754(ωa/(2πc));以锗为背景的空气柱组成的光子晶体,光子禁带对应的无量纲频率随半径的增大而增大,填充比为48.3%时,同时增大背景介质的介电常数,出现多个完全带隙,在背景折射率为6.2处,完全禁带最大,带宽为0.02922(ωa/(2πc))。光子晶体带隙的频谱响应也表明了完全带隙的范围。这为大带隙2维正方晶格光子晶体的设计和制备提供了依据。     

不同背景介质下金属Cu光子晶体带隙

提出了一种利用全反射抑制二维光子晶体表面电磁波泄漏的方法,并计算了不同背景介质下的二维金属Cu光子晶体的带隙结构,得到了带隙结构与填充率间的关系曲线。计算方法采用时域有限差分,金属型光子晶体由Cu柱构成。分别计算了以空气为背景介质和以PMMA为背景介质的正方晶格金属型光子晶体的带隙结构。研究结果表明：以PMMA为背景介质的正方晶格金属型光子晶体与以空气为背景介质相比,第一带隙更窄,第二带隙中心频率更低,且在填充率大于0.70时将会出现第三带隙。这对进一步扩展这种光子晶体的应用具有良好的参考意义。     

结构参数对二维Archimedes A7晶格光子晶体禁带的影响

利用平面波展开法对空气背景中介质圆柱和方柱构造的二维Archimedes A7晶格光子晶体的禁带结构随介质折射率、填充比的变化关系进行了研究,并进一步计算了介质方柱的旋转角度对完全光子禁带宽度的影响.研究发现,介质圆柱构造的Archimedes A7晶格结构在介质柱折射率最低为n=2.40时出现完全光子禁带,当n=2.60时禁带宽度达到最大值.介质方柱构造的Archimedes A7晶格结构在介质柱折射率n=3.80时完全禁带宽度达到最大值,且随着折射率的增加禁带宽度变化很小;在介质方柱折射率恒定情况下,其最大禁带宽度与旋转角度无关,但旋转后出现完全禁带的填充比范围明显扩大.     

基于光弹效应的二维光子晶体能带结构特性研究

根据介质的光弹效应,采用有限元法对二维光子晶体的能带特性进行分析。当给二维光子晶体施加应力时,由于构成二维光子晶体的介质的光弹效应,引起介质的折射率变化,使得光子晶体的能带结构发生变化。详细分析了外加应力变化对基于Si/SiO2二维光子晶体能带结构特性的影响,结果表明,禁带的起始波长、截止波长及禁带宽度的变化量与外加应力呈线性关系。     

一维光子晶体透射率的数值模拟

根据光子晶体的电磁特性,求解麦克斯韦方程,应用传输矩阵法求解一维光子晶体中电磁波传播的透射率特性,通过改变构成一维光子晶体的层数、材料折射率和材料厚度,得到层数变化对禁带宽度变化影响不大,折射率差值增大时带隙宽度也逐渐增大,两介质厚度有一定厚度差比厚度一样时形成较宽带隙。     

Off-plane angle dependence of photonic band gap in atwo-dimensional photonic crystal

We present an analysis of off-plane angle dependence of the photonic band gap in a two-dimensional triangular lattice with circular air rods embedded in a dielectric background. The plane-wave expansion theory is used to calculate band structures within the first Brillouin zone, and an effective refractive index approach is introduced to derive the off-plane angle dependence. The off-plane angle at which the in-plane band gap decreases to half of its gap width has been obtained, which can be increased significantly by increasing the filling fraction of the air rods. For a typical semiconductor material with a refractive index of 3.6 as the background, this angle reaches 26° at a high filling fraction of 0.84 (where the normalized in-plane band gap width is 24%). The corresponding solid angle of 1.75π could cover about 60 of the spontaneous emission from a linear-polarized dipole along the air rods     

PBG structures of novel two-dimensional annular photonic crystals with triangular lattice

The photonic band gap (PBG) structures of four types of annular photonic crystals (PCs) with inner-scatter of rectangular, square, hexagonal and circle shapes are respectively calculated by the plane wave expansion method. The optimal samples with the largest gap-midgap ratio for each structure are obtained by scanning the four parameters: filling ratio f, dielectric constant ɛ₁, rotating angle θ of inner-scatters and outside radius R of the air ring. The results show that the band gap can be further maximized by adjusting the structural parameters, and a wide PBG with the gap-midgap ratio of 20.4% is gained in the annular photonic crystal with rectangular inner-scatters.     

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。     

复合介质柱缺陷光子晶体波导透射谱的研究

为了更好地利用光子晶体的导光和滤波性质,采用时域有限差分方法研究了在光子晶体波导中引入复合层状介质柱缺陷后,复合层状介质层的材料在折射率、厚度等参量改变时,2维光子晶体透射率随入射光频率变化的关系。结果表明,随着介质柱半径及折射率的增大,透射谱中导带内出现更多模式的缺陷态,当介质柱半径接近光子晶体空气柱半径时,可以产生频率范围更大的导带,介质柱折射率比较大时,会在导带内形成窄的禁带。实际应用时可根据具体需要调节。该研究为利用光子晶体制作滤波器和光开关等器件提供了理论基础。     

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.     

硅树脂调制的可调光子晶体

文章提出一种利用硅树脂调节光子晶体光子带隙的方法,光子晶体波导是通过往二维正方形光子晶体的介质柱之间填充硅树脂得到的,利用温度场改变硅树脂的折射率.数值模拟结果表明:通过温度场可对这种光子晶体的禁带结构进行调节.这种可调光子晶体可应用于制作新颖的偏光片和光开关.     

单折射率层缓变结构-维光子晶体的能带特性

利用特征矩阵方法研究了一类周期厚度变化的一维光子晶体的能带特性。该光子晶体保持其中一折射率层的几何厚度不变,而另一折射率层的几何厚度缓慢变化。研究表明,与通常的均匀结构光子晶体的带隙相比,这种光子晶体能使光子带隙拓宽。改变高折射率层的几何厚度,光子带隙的拓宽更为显著。在设计光子晶体时,可以根据需要,通过缓慢改变光子晶体某一折射率层的几何厚度可实现对光子带隙的控制。     

Mechanism of formation of band gaps in one-dimensional photonic quasi-crystals

A 1D photonic quasi-crystal in the form of a system of layers with different spatial periods d _ζ and d _n of the impedance and the refractive index, respectively, is analyzed. The dependence of the positions of band gaps formed in photonic crystals on the commensurability of the impedance and refractive-index periods is studied. It is shown that the band gaps formed in such systems are determined by the superperiod, which is the least common multiple of the admittance and refractive-index periods, rather than the refractive-index period (the Bragg condition) or the impedance period. This fact means that, in the case of incommensurability, a band gap is formed at a wave number of zero.     

OMNIDIRECTIONAL HIGH REFLECTOR FOR INFRARED WAVELENGTH

We have purposed the design of omnidirectional high reflectors with wide bandwidth (nearly 6300A⁰) for the infrared wavelength. Using translational matrix method for numerical calculation, it is found that a complete photonic band gap high reflector covering the wavelength region 11500A⁰ to 17800A⁰ is obtained for the quarter wave stack air / (n_L n_H)⁷ / air by using the tellurium (n=4.60) and TiO₂ (n=2.35) as material of high reflective index and SiO₂(n=1.45) low refractive index. Due to high refractive index of contrast of the structure i.e. SiO₂/tellurium, a large complete photonic band gap, omnidirectional high reflector, has been observed for the infrared wavelengths. This type of omnidirectional high reflector can be used in telecommunication. Besides this, we have studied the effective refractive indices (phase and group) of the proposed structures. It is observed that the effective refractive indices (phase and group) of the high omnidirectional reflector band are largely changed near the band edges due to the high refractive index of contrast, and the reflections from the internal interfaces of the structure.     

峰值折射率对正弦型函数光子晶体带隙的影响

对折射率按正弦规律变化的介质进行离散化处理,采用传输矩阵法计算了一维正弦型函数光子晶体的透射率,分析了各层介质的折射率峰值对带隙结构的影响。结果表明,随着高折射率介质的峰值折射率增大,主禁带增宽且红移;随着低折射率介质的峰值折射率增大,主禁带变窄且红移;当高低折射率介质都是正弦型函数介质时,与常规光子晶体相比,平均折射率之差增大时,主禁带增宽,反之主禁带变窄。这一结果对光子晶体的设计具有一定的指导意义。     

Absolute band gap engineering of anisotropic square and triangular photonic crystals

We analyze the band gap properties of two-dimensional photonic crystals created by square and triangular lattices of rods, considering that the rods are formed of a dielectric core surrounded by an interfacial layer of anisotropic tellurium. Using the plane wave analysis, we study the modification of the band gap spectrum when the rods are infiltrated with different dielectric core and discuss the optimization strategies leading to the maximum value of the absolute band gap.     

二维介质柱正方复合周期结构光子晶体的禁带研究

一种介质柱在空气中复合周期排列的二维光子晶体新结构被提出和研究,该结构是二套不同尺寸的介质柱的正方周期排列的叠加所构成。针对这种光子晶体,我们对Maxwell方程做出了严格的Fourier变换,从而建立了快速的平面波展开算法。应用所建立的快速理论算法,我们详细地数值分析了这种光子晶体的能带结构及相关禁带,结果表明,与介质柱的简单正方周期结构相比,复合周期结构由于降低了结构的对称性,它的绝对禁带得到了显著的增大。     

太赫兹波在二维光子晶体中的传播特性

为了得到太赫兹波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性,利用平面波展开法数值模拟了三角晶格能带结构和态密度分布,得出E偏振当填充率f=0.9069和H偏振f=0.7346时出现最大光子带隙,在f=0.8358出现最大完全光子带隙.计算表明,增加介电常数的差值,太赫兹波在三角晶格光子晶体中传播的带隙增加了,光子晶体态密度的分布验证了存在光子带隙的范围.研究结果为太赫兹波器件的开发提供了理论依据.     

用平面波展开法计算二维方形光子晶体的带隙结构

用平面波展开法计算二维正方晶格光子晶体的带隙结构，对二维光子晶体的电磁波理论及周期介质中的Bloch波解进行了详细的推导，得出TE模和TM模下无缺陷时光子晶体的色散曲线，并设计了低频区域内具有较大带隙宽度的两种二维光子晶体的空间周期结构. 经过大量的计算，发现硅中的空气柱型光子晶体在红外波段TE模和TM模存在重叠的绝对光子带隙，并分别研究了空气中的硅介质柱和硅中的空气柱的TM模带隙宽度随空气柱半径和填充比变化的规律.