廣義光子晶體器件設(shè)計(jì)及其導(dǎo)光特性研究.pdf

1、光子晶體自提出之日起就備受關(guān)注，其周期性的介電質(zhì)結(jié)構(gòu)使在其中傳播的電磁波模態(tài)具有頻帶效應(yīng)，并可以導(dǎo)致光子帶隙的產(chǎn)生。當(dāng)電磁波的頻率恰巧落在禁帶中時(shí)，電磁波將無(wú)法穿透該種介質(zhì)，這種特性為有效操控電磁波行為提供了新的方法。隨著對(duì)光子晶體研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)光子晶體的導(dǎo)帶也有眾多妙用。由于光子晶體導(dǎo)帶某些特殊的色散關(guān)系的存在，在一定頻率范圍內(nèi)的電磁波會(huì)表現(xiàn)出不尋常的傳播行為，如超棱鏡效應(yīng)、負(fù)折射效應(yīng)、自準(zhǔn)直效應(yīng)等。這些效應(yīng)在光集成、高密度

2、光存儲(chǔ)以及高靈敏度生物傳感器等領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，光子晶體色散特性與應(yīng)用潛力的研究受到了高度重視，例如《科學(xué)》雜志選擇負(fù)折射研究為2003年的十大科技成果之一。光子晶體的發(fā)展和應(yīng)用將對(duì)未來(lái)的光電技術(shù)發(fā)展會(huì)產(chǎn)生難以估量的影響。
　　雖然人們對(duì)于光子晶體及其光學(xué)特性已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，但是這些研究大多數(shù)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)類型光子晶體的，而對(duì)于其它廣義光子晶體的研究依然不夠完善。廣義光子晶體以其豐富的空間變化提供了更多的研究?jī)?nèi)

3、容。廣義光子晶體包括周期性的光子晶體、漸變光子晶體、準(zhǔn)周期光子晶體、非晶光子晶體等。本文主要提出了幾種新型的漸變光子晶體，研究了這些光子晶體的特性，并用已知的和新提出的漸變光子晶體設(shè)計(jì)了多種光子晶體器件，利用平面波展開法和時(shí)域有限差分法進(jìn)行了仿真模擬。之后利用雙光束兩次曝光法制備常規(guī)正方光子晶體，并利用制備的光子晶體提高了LED的發(fā)光效率。
　　本文的研究重點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:
　　1.漸變光子晶體的研究
　　常

4、規(guī)光子晶體的性質(zhì)研究已經(jīng)比較成熟，然而廣義光子晶體，尤其是漸變光子晶體的研究和器件設(shè)計(jì)方面依然有很大的研究空間。從第三章到第五章，主要提出了幾種新型漸變光子晶體并研究了其光學(xué)特性，設(shè)計(jì)了多種光子晶體器件。
　　在第三章中，利用輻射型漸變光子晶體設(shè)計(jì)了一種新型的光子晶體分束器。這種分束器是由關(guān)于橫軸對(duì)稱的兩個(gè)完全相同的1/4圓弧的輻射型光子晶體構(gòu)成。為了提高分束器的透射率，加入了正方自準(zhǔn)直光子晶體結(jié)構(gòu)。通過(guò)增大自準(zhǔn)直光子晶體的缺陷，

5、光子晶體分束器總的透過(guò)率得到了很大的提升。而且這種光子晶體分束器系統(tǒng)可以很方便地調(diào)節(jié)分束比。輻射型漸變光子晶體分束器在光集成方面有很大的應(yīng)用潛力。
　　第四章提出了一種新型的圓形漸變光子晶體，這種新型漸變光子晶體是二維常規(guī)光子晶體的一種變形結(jié)構(gòu)，并且主要考慮了這種圓形漸變光子晶體的導(dǎo)通性質(zhì)。這種新型的圓形漸變光子晶體可以實(shí)現(xiàn)光的不對(duì)稱傳輸以及具有頻率選擇的光耦合器。由于圓形漸變光子晶體的方向禁帶，從一個(gè)方向傳播的光能夠透過(guò)光子晶體

6、，而從另一個(gè)方向傳播的光則無(wú)法通過(guò)光子晶體。我們將兩個(gè)方向透射過(guò)光子晶體的光強(qiáng)之差與光強(qiáng)之和的比定義為對(duì)比度，利用對(duì)比度來(lái)衡量光子晶體不對(duì)稱傳輸?shù)哪芰?。利用這種結(jié)構(gòu)，在數(shù)值模擬上實(shí)現(xiàn)了光的不對(duì)稱傳輸，并得到了更高的對(duì)比度。由于這種圓形漸變光子晶體在特定頻率范圍內(nèi)的光聚焦現(xiàn)象，透過(guò)圓形漸變光子晶體的光被匯聚到光子晶體波導(dǎo)中，并得到了一個(gè)很高的耦合效率。當(dāng)改變圓形漸變光子晶體的參數(shù)時(shí)，透射率的峰值對(duì)應(yīng)的頻率會(huì)改變，從而使光耦合器具有頻率選擇

7、效應(yīng)。
　　第五章提出了一種新的漸變光子晶體結(jié)構(gòu)，這種光子晶體結(jié)構(gòu)不包含非線性及各向異性材料，是通過(guò)改變常規(guī)光子晶體橫向和縱向兩個(gè)方向的介質(zhì)柱半徑得到的。由于正方漸變光子晶體的方向禁帶和自準(zhǔn)直作用，從一個(gè)方向傳播的光能夠透過(guò)光子晶體，而從另一個(gè)方向傳播的光則無(wú)法通過(guò)光子晶體。利用這種結(jié)構(gòu)，在數(shù)值模擬上實(shí)現(xiàn)了光的不對(duì)稱傳輸，并得到了更高的對(duì)比度。
　　2.利用雙光束兩次曝光法制備光子晶體提高LED的發(fā)光效率
　　LED以

8、其低功耗、長(zhǎng)壽命、體積小的特點(diǎn)，成為綠色節(jié)能的新型照明器件，然而由于LED的光提取效率低，使LED的壽命縮短，并造成了大量的能量損耗。光子晶體作為一種提高LED發(fā)光效率的有效手段，成為了目前研究的熱門之一。全息干涉技術(shù)制備光子晶體以其制備迅速、一次成型、成本低等特點(diǎn)使得低成本實(shí)現(xiàn)高出光率光子晶體LED制作成為可能。
　　在第六章，提出了利用雙光束兩次曝光制備光子晶體的方法，這種方法光路簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)，并且一次成型，以532nm可見

9、光為光源，這種光源更易獲得，并且在平臺(tái)搭建和光路調(diào)節(jié)方面更具優(yōu)勢(shì)，配制了感光波長(zhǎng)在532nm的光刻膠，成功制備占空比為1∶1的二維正交光子晶體，并將光子晶體制作于GaN藍(lán)光LED的ITO層中，使LED的發(fā)光效率提高了20％-27％。對(duì)于光子晶體提高LED發(fā)光效率的研究仍然需要改進(jìn)和完善，但這種制作光子晶體的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，適合進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
　　綜上所述，本文不僅提出了多種漸變光子晶體結(jié)構(gòu)，研究了漸變光子晶體的光