二維空氣環(huán)型光子晶體的帶隙及負折射特性研究.pdf

1、光子晶體是一種介電常數(shù)呈周期性排列的人工材料，電磁波在其中傳播時會出現(xiàn)“禁帶”現(xiàn)象，利用光子晶體的禁帶可以控制光的傳播，從而在光信息處理方面帶來潛在的巨大應用，光子晶體因此成為世界性的研究熱點。光子帶隙是光子晶體的重要特征之一，因此，對光子晶體的禁帶特性的研究是光子晶體研究的重要內容之一。近年來，電磁波在光子晶體中的負折射現(xiàn)象也引起了人們的廣泛關注。如果適當選擇光子晶體的色散特性，光子晶體也可以用來實現(xiàn)超棱鏡、自聚焦、負折射、逆Cher

2、enkov輻射等效應。 本文運用時域有限差分法(FDTD)及平面波展開法(PWM)等仿真軟件，研究了二維空氣環(huán)型光子晶體的能帶結構及負折射特性，并借助負折射成像原理設計了一種新型的點光源分光結構。研究結果為實驗制作大帶隙光子晶體、光子晶體負折射材料及新型光子器件提供理論指導。 緒論部分，主要概述了光子晶體的基本概念、主要特征、應用以及光子晶體的理論計算方法、主要研究方向，簡單闡述了光子晶體負折射的物理機制及研究現(xiàn)狀。

3、 第一章，采用平面波展開法計算了由不同材料組成的二維三角格子空氣孔和空氣環(huán)型光子晶體的帶隙結構，并分析了結構參數(shù)對光子晶體帶隙的影響。計算過程中分別選用了GaAs、Si、Ge三種材料組成的結構，得到了最大光子帶隙對應的結構參數(shù)。對于空氣孔結構，通過三種不同材料完全帶隙的計算，并將帶隙寬度與帶隙位置進行比較，我們得到如下結論：在相同占空比的條件下，背景材料的介電常數(shù)越大，對應的光子帶隙也會越來越大，而且會越來越趨近較低的頻率。對于空氣

4、環(huán)型光子晶體，當空氣環(huán)外徑確定，內徑逐漸增大時，完全帶隙的變化具有先變窄至消失，然后再次出現(xiàn)增寬又變窄的規(guī)律。對于具有較高折射率背景材料組成的光子晶體，空氣環(huán)型結構可以得到更大的完全光子帶隙。如由Ge組成的光子晶體，空氣環(huán)型結構的完全帶隙比空氣孔結構可以增寬66％。 第二章，采用平面波展開法和時域有限差分法研究了由空氣環(huán)組成的二維三角晶格光子晶體平板的負折射成像及負折射傳輸過程。對于外半徑為0.40a，內半徑0～0.13α的空氣

5、環(huán)型光子晶體，在第二能帶中與有效折射率-1對應的歸一化頻率分布在0.30左右，而且對于內徑由0～0.13α變化的空氣環(huán)型結構，歸一化頻率為0.30的電磁波均可以實現(xiàn)較理想的負折射成像。通過光子晶體有效折射率的計算，得到了有效折射率為-1的電磁波頻率隨空氣孔內徑由0～0.20α變化的規(guī)律并由等頻率曲線形狀的變化解釋了結構參數(shù)對光子晶體平板成像的影響。 在計算三角晶格空氣環(huán)型光子晶體的能帶結構和等頻率曲線分布的基礎上，模擬了有效折射

6、率為-1的電磁波在平板和楔形結構光子晶體中的負折射傳輸過程。結果表明，優(yōu)化設計的空氣環(huán)型光子晶體可以產(chǎn)生較為理想的負折射現(xiàn)象，且特定頻率電磁波實現(xiàn)負折射對結構參數(shù)的要求較低，有效的降低了實驗室制作光子晶體負折射材料對結構參數(shù)的苛刻要求。相對傳統(tǒng)的空氣孔(介質柱)型光子晶體，空氣環(huán)型光子晶體增加了一個結構參數(shù)，因而更易于通過調節(jié)晶體結構達到各種性能要求。在實驗室采用X光刻蝕方法制作空氣環(huán)型光子晶體能夠節(jié)省大量的刻蝕時間，進而可以降低光子晶

7、體的制作成本。 第三章，首先簡單介紹的幾種常見的光子晶體的分光原理，然后討論了如何利用光子晶體的負折射特性來解決點光源的分光問題，并根據(jù)實際需要提出了兩種不同的分光結構，并對每種結構的性能進行簡單分析，得到了盡可能理想的點光源分光結構。從功能上說，這兩種結構的光子晶體分光器可以實現(xiàn)分功率；而如果光子晶體壁設計成不同的結構，亦可以實現(xiàn)分頻的作用。換句話說，如果在中心放一個白色點光源，在光子晶體的外側不同方向可能會得到不同顏色的像點