幾種典型結(jié)構(gòu)的二維光子晶體禁帶特性分析.pdf

1、光子晶體(photonic crystals)又稱為光子帶隙材料(photonic bandgap materials)，是由不同折射率的介質(zhì)周期性排列而形成的人工結(jié)構(gòu)，能夠抑制自發(fā)輻射和控制光的傳播。由于其獨(dú)特的性能和廣闊的應(yīng)用前景，光子晶體己成為一個(gè)發(fā)展迅速的科學(xué)研究新領(lǐng)域。
　　 光子晶體的許多應(yīng)用都是基于“光子禁帶”特性，然而只有特殊的周期結(jié)構(gòu)才有光子禁帶，因此光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是光子晶體理論研究的一個(gè)重要內(nèi)容。盡管人們已

2、經(jīng)提出一些具有較大的完全光子晶體禁帶的復(fù)式結(jié)構(gòu)二維光子晶體，但制作這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光子晶體仍然十分困難。從制備工藝考慮，具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的二維光子晶體更具有實(shí)用價(jià)值。
　　 本文運(yùn)用平面波展開法(PWM)和時(shí)域有限差分法(FDTD)對(duì)Square格子、Triangular格子、Kagome格子和Graphite格子二維光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。討論了介質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)完全光子禁帶的影響，發(fā)現(xiàn)了一些完全光子禁帶出現(xiàn)的規(guī)律

3、，提出了幾種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有較大禁帶的二維光子晶體。研究結(jié)果可為今后實(shí)驗(yàn)制作大帶隙二維光子晶體提供理論指導(dǎo)。研究工作主要包括以下內(nèi)容：
　　 (1)選用半導(dǎo)體材料GaAs、Si和Ge，用PWM和FDTD分別模擬圓柱散射子構(gòu)造的Square格子光子晶體的禁帶結(jié)構(gòu)及TE模和TM模的透射反射譜。數(shù)值計(jì)算表明，選用Ge介質(zhì)材料，圓柱Square格子結(jié)構(gòu)的完全禁帶最大為=0.026(ωa/2πc)。給出正六邊形柱Square格子光子晶體的旋

4、轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)的最大完全帶隙位置和最大帶寬，以及最大光子禁帶寬度隨介質(zhì)折射率的變化關(guān)系。
　　 (2)提出一種性能優(yōu)異的，由正方形散射子構(gòu)造的Square格子光子晶體結(jié)構(gòu)。正方形介質(zhì)柱和空氣柱Square格子產(chǎn)生完全光子禁帶對(duì)應(yīng)折射率的最小閾值都降到了n=2.61以下，出現(xiàn)最大完全光子禁帶時(shí)介質(zhì)柱旋轉(zhuǎn)角度都為恒定值。最大禁帶寬度約為中心工作頻率的13％。特別是空氣正方形柱構(gòu)造的Square格子光子晶體，當(dāng)背景介質(zhì)的折射率從n=3.2

5、5連續(xù)變化到n=3.73的過程中，完全光子帶隙基本上保持在一個(gè)恒定的最高值=0.059～0.060(ωa/2πc)，介質(zhì)填充比也都為f=0.3276。
　　 (3)由介質(zhì)柱在空氣背景構(gòu)造的Triangular格子光子晶體，圓柱和正六邊形柱構(gòu)造的結(jié)構(gòu)沒有完全光子禁帶。發(fā)現(xiàn)正方形介質(zhì)柱構(gòu)造的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)用較低折射率的材料產(chǎn)生完全光子禁帶。由空氣柱在介質(zhì)背景中構(gòu)造的Triangular格子光子晶體，對(duì)稱性降低并沒有提高完全光子禁帶的寬

6、度，完全光子禁帶受介質(zhì)折射率影響較大?？諝鈭A柱在折射率高的Ge介質(zhì)背景中Triangular格子光子晶體的最大禁帶寬度達(dá)到=0.121(ωa/2πc)，完全禁帶寬度為中心工作頻率的25％。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)相比，吻合很好。
　　 (4)討論了Kagome格子光子晶體禁帶的基本性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Ge圓柱Kagome格子結(jié)構(gòu)填充比連續(xù)變化的較大的范圍內(nèi)都有寬度較為穩(wěn)定的完全禁帶。
　　 (5)對(duì)于Graphite格子