全息光子晶體禁帶展寬方法和波導(dǎo)傳輸特性的研究.pdf

1、光子晶體自從被提出后，在光學(xué)物理、凝聚態(tài)物理、電磁波、信息技術(shù)等領(lǐng)域引起了人們廣泛的關(guān)注。在這短短的二十年里，光子晶體在理論研究和實(shí)驗(yàn)研究方面均取得了顯著的成果，并且在某些領(lǐng)域也有了一定的應(yīng)用。由于光子晶體的巨大潛在應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)和制作可見(jiàn)光和近紅外波段的完全帶隙光子晶體，成為近十年來(lái)科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。 在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)光子晶體的多種方法中，相對(duì)于其它制作方法，例如逐層疊加方法、半導(dǎo)體微加工和自組織生長(zhǎng)，激光全息制作方法具有成本

2、低，耗時(shí)短，方便制作和有效等優(yōu)點(diǎn)。本論文運(yùn)用激光全息干涉技術(shù)并結(jié)合平面波展開(kāi)法和有限時(shí)域差分方法，在理論上比較系統(tǒng)地研究了如何使用傘形配置的多激光束形成具有較寬的完全禁帶的光子晶體，提出多種實(shí)現(xiàn)全禁帶展寬的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)及其能帶傳輸特性的模擬來(lái)驗(yàn)證能帶計(jì)算結(jié)果的正確性，其中的創(chuàng)新性工作主要包括以下幾個(gè)方面： 一、全息干涉法優(yōu)化二維正方結(jié)構(gòu)光子晶體的光束設(shè)計(jì)及其能帶性質(zhì)的研究 由于全息干涉法中格點(diǎn)柱的形狀和大小實(shí)

3、際是由干涉場(chǎng)的等強(qiáng)度面決定的，所以所得結(jié)構(gòu)的能帶性質(zhì)與制備過(guò)程有著密切的聯(lián)系。作為實(shí)例，我們?cè)诘谌轮刑岢隽藘煞N利用全息干涉技術(shù)制備的新型二維正方結(jié)構(gòu)光子晶體的方案。第一種是由繞z軸旋轉(zhuǎn)45°的針墊形柱組成的正方晶格點(diǎn)陣，這種結(jié)構(gòu)與過(guò)去報(bào)道過(guò)的由正方柱組成的同類(lèi)結(jié)構(gòu)相比在很寬的介電常數(shù)比的范圍內(nèi)有更大的相對(duì)光子帶隙。因?yàn)槔碚摲治霭l(fā)現(xiàn)通過(guò)長(zhǎng)條柱做脈絡(luò)連接圓柱組成的正方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的圓柱半徑和長(zhǎng)條寬度在適當(dāng)配比情況下，可以產(chǎn)生很大的完全帶隙，所

4、以我們利用全息干涉法設(shè)計(jì)了另一種由不規(guī)則介質(zhì)柱組成的相似晶體結(jié)構(gòu)。這兩種優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)不但能夠產(chǎn)生更大的相對(duì)帶隙，而且在有全帶隙的光子晶體制備過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)各種參數(shù)的要求更加寬松。文中系統(tǒng)分析了各種參數(shù)與光子帶隙的關(guān)系，推導(dǎo)出具有最佳能帶性質(zhì)的全息光子晶體的一般規(guī)律，為制備正方結(jié)構(gòu)光子晶體設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 二、全息干涉法制備的二維三角混合光子晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其能帶性質(zhì)的研究 在第四章我們首次開(kāi)展了光子晶體周期結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸與

5、能帶性質(zhì)關(guān)系的系統(tǒng)研究，提出了一種利用全息干涉二次曝光技術(shù)改變光子晶體對(duì)稱(chēng)性的方法，發(fā)現(xiàn)通過(guò)降低光子晶體的對(duì)稱(chēng)性和適當(dāng)改變介質(zhì)柱大小和形狀，能夠有效提高光子能帶性質(zhì)。計(jì)算表明經(jīng)過(guò)適當(dāng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)在很寬的系統(tǒng)參數(shù)范圍內(nèi)有全光子帶隙存在，并且發(fā)現(xiàn)能夠打開(kāi)大于1％全帶隙所要求的最小介電常數(shù)僅為3．8，這個(gè)值是所有報(bào)道過(guò)二維周期光子晶體結(jié)果中的最小值。此研究為在低折射率比的情況下實(shí)現(xiàn)光波的高效率傳輸技術(shù)提供了一種有價(jià)值的指導(dǎo)方案。 三、利

6、用傘狀對(duì)稱(chēng)多光束干涉制備新型三維光子晶體及其能帶性質(zhì)的研究 三維光子晶體比二維光子晶體更具有多樣性，利用全息法制備三維光子晶體的一個(gè)重要的途徑就是用傘狀對(duì)稱(chēng)四束光干涉法，即周?chē)鴤?cè)光兩兩成相同角度，分別與中間光束成相同夾角θ。第五章中，我們通過(guò)理論分析和模擬計(jì)算推導(dǎo)出利用傘狀對(duì)稱(chēng)四束光全息干涉可能制備的三維光子晶體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了光束夾角從10°到180°變化所得晶體結(jié)構(gòu)的相應(yīng)布里淵區(qū)的特征與光子能帶性質(zhì)，這些工作將有助于該方

7、法在實(shí)驗(yàn)中的有效應(yīng)用。另外，我們首次提出一種傘狀對(duì)稱(chēng)五束光全息干涉制備光子晶體的方法，系統(tǒng)分析了隨光束夾角不斷增大時(shí)可以得到的光子晶體結(jié)構(gòu)及其能帶性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)利用該方法不但能夠制備出存在最大相對(duì)帶隙的類(lèi)金剛石結(jié)構(gòu)光子晶體，而且可以保證所有干涉光束從樣品同側(cè)入射，為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)條件，改善光子能帶性質(zhì)提供了可行性方案。 四、全息光子晶體波導(dǎo)傳輸性質(zhì)的研究 為了研究光波在二維全息光子晶體中的傳播性質(zhì)，我們?cè)诘诹轮醒芯苛斯獠ㄔ谝雰?/p>

8、個(gè)60°轉(zhuǎn)角線(xiàn)缺陷的全息三角結(jié)構(gòu)光子晶體波導(dǎo)中的傳播性質(zhì)。通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)在很寬頻率范圍內(nèi)，光波能夠以大于90％的透過(guò)率高效率傳輸，這也是同類(lèi)報(bào)道中最寬的頻率范圍，并且揭示了光波在兩個(gè)60°轉(zhuǎn)彎之間產(chǎn)生的諧振與光子晶體的結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。此項(xiàng)工作使全息光子晶體在光子整合回路中的應(yīng)用充滿(mǎn)希望，并且為優(yōu)化光子晶體波導(dǎo)的傳輸性質(zhì)提供了理論依據(jù)。 五、全息干涉法制備光子晶體的實(shí)驗(yàn)研究 最后，在第七章我們對(duì)利用全息干涉法制備光子

9、晶體模板以及利用單雙光子聚合技術(shù)在光子晶體模板中引入線(xiàn)缺陷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)計(jì)出了幾種實(shí)用的光路，制備出了幾種光子晶體模板，并成功從中引入了帶有直角轉(zhuǎn)彎的線(xiàn)缺陷。雖然這一領(lǐng)域的工作受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，但是我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了全息干涉法在大面積、低成本制備光子晶體方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并驗(yàn)證了通過(guò)單雙光子聚合相結(jié)合技術(shù)在光子晶體中引入線(xiàn)缺陷的可行性。 以上工作圍繞光子晶體全帶隙展寬和優(yōu)化傳輸性質(zhì)展開(kāi)，自成體系，提出了一