二維光子晶體的帶結(jié)構(gòu)及波導(dǎo)特性研究.pdf

1、1987年Yablonovitch和John同時(shí)提出光子晶體這一概念,Yablonovitch指出有可能實(shí)現(xiàn)光子頻率帶隙和局域缺陷模以及許多光電技術(shù)方面的應(yīng)用,John則討論了在無(wú)序光子晶體中電磁波的強(qiáng)烈局域現(xiàn)象,并預(yù)言在光子晶體中存在許多有趣的量子光學(xué)現(xiàn)象,諸如光子局域態(tài),自發(fā)輻射的非指數(shù)衰減。自1987年以來(lái),很多研究人員試圖去實(shí)現(xiàn)光子晶體中頻率帶隙和局域缺陷模以及其它一些光學(xué)特性。由于光子晶體是人造晶體,因此設(shè)計(jì)和制造光子晶體就成

2、了研究的焦點(diǎn)。人們往往借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行精確的計(jì)算,來(lái)設(shè)計(jì)光子晶體結(jié)構(gòu),并致力于制造新的光子晶體并測(cè)試它們的特性。 這篇論文分析了二維方型光子晶體的帶結(jié)構(gòu)特性,因?yàn)槎S方型光子晶體較容易制作并且很合適制作各種波導(dǎo)器件。 首先,對(duì)二維光子晶體的電磁波理論及周期介質(zhì)中的Bloch波解作了詳細(xì)的推導(dǎo),給出了光子晶體中的禁帶存在的理論依據(jù),同時(shí)以正方晶格的二維光子晶體為例,用平面波展開(kāi)方法計(jì)算了正方格子式二維光子晶體的頻率帶結(jié)構(gòu),并且分析了禁帶隨介

3、質(zhì)填充因子的變化關(guān)系,討論了禁帶隨介質(zhì)填充因子,介電常數(shù)的變化。并且在光子晶體中引入缺陷后,完全光子禁帶中就出現(xiàn)相應(yīng)的局域模,引入平面波導(dǎo)就能導(dǎo)光,給出了二維方型光子晶體的波導(dǎo)的TM模的電場(chǎng)分布。 其次,設(shè)計(jì)了一種二維方型旋轉(zhuǎn)正四邊形直柱光子晶體,這種結(jié)構(gòu)降低了光子晶體的對(duì)稱性。通過(guò)運(yùn)用平面波展開(kāi)方法以及有限差分時(shí)域(FDTD)方法進(jìn)行分析,可以明顯地發(fā)現(xiàn),在低頻和高頻區(qū)域增大了光子晶體的光子禁帶。在填充率f=0.5左右的情形下,計(jì)算了

4、空氣中的A1材料的旋轉(zhuǎn)四邊形直柱光子晶體的帶結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn),在f=0.5才存在完全光子禁帶,旋轉(zhuǎn)角度為45度時(shí),完全光子禁帶最大,旋轉(zhuǎn)角度為0度時(shí),光子禁帶位于高頻區(qū)域。還運(yùn)用FDTD方法檢驗(yàn)了計(jì)算結(jié)果,并分析了旋轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)角度為45度時(shí),正四邊形直柱光子晶體的波導(dǎo)特性以及TM模的電場(chǎng)分布。 利用平面波方法分析了二維光子晶體的波導(dǎo)特性(色散關(guān)系和態(tài)密度),得到二維光子晶體線缺陷所形成的波導(dǎo)模式的色散關(guān)系。由于波導(dǎo)邊界的周期性,某些波長(zhǎng)的光