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。     

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.     

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。     

Numerical simulation of absolute photonic band gaps for two-dimensional photonic crystals with the rotational square lattice

The band gap of two-dimensional (2D) photonic crystals with the square lattice of rotational square air columns made of GaAs and Ge is analyzed by the plane wave expansion method. The effects of dielectric refractive index and crystal structures on the absolute photonic band gap are investigated. The results show that the maximum absolute photonic band gap emerges when the square air columns are rotated for 30° and the filling ratio f of the medium is 0.3276. It is also noticed that absolute photonic band gaps appear when the refractive index of the medium (n) is 2.61. When n=3.70, the width of the absolute photonic bandgaps reaches the maximum.     

Ge基二维三角晶格光子晶体的光子带隙

导出了二维三角晶格光子晶体的填充系数与正多边形散射子外接圆半径的普适关系,并利用平面波展开法计算了Ge基二维三角晶格光子晶体的光子带隙.计算表明:Ge圆柱置于空气背景中时,可产生TM、TE带隙,TM带隙占优势;随着Ge填充系数的增大,光子带隙的宽度先增大后减小,其中心频率由高频向低频移动;TM模第一带隙宽度在半径为0.14a处达峰值.空气圆柱置于Ge背景中时,可产生TM、TE及完全带隙,TE带隙占优势;随着空气填充系数的增大,光子带隙的宽度先增大后减小,其中心频率由低频向高频移动;TE模第一带隙宽度和最大完全带隙宽度分别在半径为0.46a和0.49a处达峰值.     

含负折射率介质光子晶体的斜角禁带

研究了由正负折射率介质交替排列构成的光子晶体的传输特性,负折射率材料(NIM)是有损耗的Drude色散媒质。研究发现,这类光子晶体具有零折射率带和传统的Bragg带,此外在NIM的折射率接近于零的频域还出现了一个新型的禁带——斜角带。该斜角带的位置与晶格参数无关,其带宽较小;在电磁波垂直入射时禁带消失,但随着入射角的增大禁带逐渐展宽,且TM模的带宽大于TE模。     

一维光子晶体传输特性优化设计

本文研究了光子晶体周期堆栈的时候,输入波能够快速的衰减的条件下,一维光子晶体的传输特性。研究表明,当入射角一定时,光子晶体的填充率能够得到最好的禁带带宽和反射率:而随着入射角度的增加,光子晶体的反射率逐渐增大,反射效果更好,同时带隙宽度逐渐变大,而全能反射带宽逐渐变小,并向长波方向移动。与其它结构的光子晶体相比,这种条件下一维光子晶体利用很少的周期数,就可以得到99%以上的反射率和很宽的禁带宽度。     

完全禁带二维光子晶体的研究

利用平面波展开法,对存在完全禁带的正三角排列的气柱型二维光子晶体和蜂窝状排列的介质柱型二维光子晶体进行了研究,分析了柱的半径和介质折射率对完全禁带大小的影响,结果表明,正三角排列气柱型比蜂窝状排列介质柱型具有更大的最大带隙率,而且最大带隙率还可以通过介质折射率的改变来优化;蜂窝状排列介质柱型二维光子晶体最容易加工的结构刚好适合常见材料硅或砷化镓,具有更大的实用价值.     

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。     

入射角和杂质吸收对一维光子晶体反射镜的影响

利用复折射率的方法和膜系设计软件TFcalc分别研究了入射角和杂质吸收对一维光子晶体反射镜反射谱和透射谱的影响.结果表明:随着入射角的增大,一维光子晶体反射镜的禁带中心位置蓝移,禁带宽度减小.入射角小于60°时,带隙势阱深度几乎不变,大于60°后带隙势阱深度变化较大.当入射角无限接近90°时,P偏振光的带隙几乎消失,S偏振光的带隙几乎保留.杂质吸收对于一维光子晶体的反射谱和透射谱显著影响时的临界消光系数值分别是0.001和0.0003.高折射率介质层的杂质吸收对光谱的影响较小.     

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.     

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。     

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。     

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。     

Transmission spectra of one-dimensional photonic crystals including negative-refractive-index media

We introduce a new model of one-dimensional （1D） photonic crystal composed of alternately arranged RHM and LHM layers with positive and negative refractive indices respectively, for which the transmission spectra of the model are calculated numerically with the transfer matrix method, and the bandgap structure and the polarization properties are analyzed. We found that the introduction of negative refractive index layers （i.e. LHM medium layers） gives rise to some peculiar band-gap structure and polarization properties as follows. Firstly, the forbidden bands are extremely wide and the transmission bands are very sharp without oscillation;and secondly, the change of incident angle has different influences on the forbidden bands of TE and TM modes. For the TM mode, the forbidden band width decreases substantially and finally vanishes, and for the TE mode with central wavelength, the total reflection happens at anv incident anale.     

工作在1550nm的全固态光子晶体光纤的设计

利用全矢量平面波展开法对三角形排布孔包层-圆纤芯结构的光子晶体光纤的光子带隙特性进行了数值模拟,对比研究了传统光子晶体光纤(空气-石英纤芯结构)和全固态光子晶体光纤(非空气-石英纤芯结构)的光子带隙(导模)与结构参数(包层孔直径dclh、包层孔间距和包层孔填充比f)的关系,设计出了一组合适的结构参数(纤芯直径dco＝5.3 m,包层孔材料的折射率nclh=1.65,dclh＝1.0 m,＝2.0 m,f＝0.7),可以使相应的全固态光子晶体光纤工作在1 550 nm的现代光通信波长上,且光子带隙可以达100 nm.     

结构参量对二维三角晶格光子晶体带隙影响规律的研究

本文利用了平面波展开法分别计算了二维三角晶格空气中介质柱和介质中空气孔两种形状的光子晶体,研究了填充率、介电常数对带隙宽度和中心频率的影响规律,研究结果对光子晶体的制作提供了理论依据.     

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.     

光子晶体薄板波导导模的固有损耗特性研究

利用波导模展开法计算了强介质比光子晶体薄板波导中的固有损耗。在导模高群速度的频段中,辐射损耗随着晶体中空气比的增加而增加,随着波导宽度的增加或薄板厚度的增加而减小,而且可以计算得到在靠近模式色散中微小带隙处的损耗与复频率的关系,计算得到的损耗与si薄板中所测的结果十分吻合。     

Theoretical optimization of complete forbidden bands in woodpile-type photonic crystals

Based on the plane-wave method, the optical properties of complete forbidden bands of woodpile structure photonic crystal with an entire Lattice rotation of 45° in the x-y plane were theoretically studied in terms of height-to-pitch ratios, filling factors, and rotation angles. The calculated results show that the gap to mid-gap ratio changes slightly with a filling fraction ranging from 0.25 to 0.30. The optimum height-to-pitch ratio is about 1.3. The gap to mid-gap ratio reaches more than 0.18 when the rotation angle increases from 40° to 50° and the maximum gap to mid-gap ratio of 0.2 remains unchanged for the rotation angle from 42°to 48° with a constant height-to-pitch ratio of 1.3. The gap to mid-gap ratio reaches the maximum value of 0.2 when the height-to-pitch ratio is 1.3. This woodpile-type photonic crystal can provide large band gaps within a wider parameter range, which makes it convenient to manufacture three-dimensional photonic crystals in the laboratory.