二維光子晶體傳輸特性的研究.pdf

1、一直以來,人們期冀能像控制電流在導(dǎo)線中的傳播一樣自由的控制光的傳播,這種想法隨著一種新材料--光子晶體(Photonic Crystal,PhC)的出現(xiàn)而慢慢接近現(xiàn)實。上個世紀(jì)八十年代后期,Eli Yablonovitch和Sajeev John在他們發(fā)表的兩篇里程碑似的論文中首次提出了“photonic crystal”這個概念,從此揭開了人類歷史上控制光傳播的嶄新一頁。
　　 光子晶體由周期性分布的電介質(zhì)或金屬-電介質(zhì)結(jié)構(gòu)組

2、成。在半導(dǎo)體晶體的能帶結(jié)構(gòu)中可以存在帶隙,即具有某種大小能量的電子在某些特定方向上不允許傳播。類似的,光子晶體通過不同介電常數(shù)的物質(zhì)的周期排列得到周期變化的折射率,影響光波在它內(nèi)部的傳播。通過調(diào)節(jié)光子晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的各種參數(shù)(晶格常數(shù)、填充比、增加缺陷等),可以產(chǎn)生禁帶效應(yīng)。人們利用光子晶體特殊的傳播特性,實現(xiàn)了光子晶體光纖、光子晶體波導(dǎo)、光子晶體激光器、微諧振腔等。同時,光子晶體還可以當(dāng)做超材料(Metamaterial),使電磁波在其

3、中的傳播產(chǎn)生負(fù)折射現(xiàn)象,從而實現(xiàn)超棱鏡,完美透鏡等。最近,光子晶體還作為解決方案之一,應(yīng)用于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)中,以提高光提取率。光子晶體的傳播特性及其應(yīng)用是本論文所要討論的范圍。
　　 本論文的主要內(nèi)容:
　　 1、從光子晶體的結(jié)構(gòu)特點出發(fā),利用麥克斯韋方程組推導(dǎo)出符合光子晶體的電磁場表達(dá)式,進(jìn)而得到光子晶體帶隙的計算方法；簡單介紹時域有限差分法,討論數(shù)值穩(wěn)定性和邊界條件。<

4、br>　　 2、分析二維全息光子晶體的傳輸特性；討論光子晶體填充比、晶格常數(shù)、晶格原胞形狀,晶格原胞組成方式等各種參數(shù)對光子帶隙及傳輸特性的影響。
　　 3、分析二維全息光子晶體的負(fù)折射特性。
　　 4、研究利用二維光子晶體提高LED的光提取效率。
　　 通過研究,論文得到下列三個有意義的成果:
　　 1、由掃描光子晶體晶格常數(shù)、填充比、介電常數(shù)等相關(guān)參數(shù),得到大量仿真計算的數(shù)據(jù),經(jīng)過分析,得出一種光子

5、晶體波導(dǎo)的設(shè)計優(yōu)化方法。其特點之一是:通過調(diào)整光強(qiáng)閾值就可以快速的對光子晶體帶隙進(jìn)行調(diào)控。
　　 2、由多參數(shù)分析全息光子晶體EFS圖,得到負(fù)折射發(fā)生條件及頻段特征,用FDTD法仿真,并證明在較寬頻率區(qū)間(8.5％)和較大入射角范圍(10°～80°)內(nèi),有明顯的負(fù)折射現(xiàn)象。為左手材料的設(shè)計提供一思路。
　　 3、針對LED器件由于界面反射而光提取效率較低的問題,提出了一種光子晶體輔助的LED模型結(jié)構(gòu),初步仿真計算表明:有

6、望使其光提取效率提高數(shù)倍(與模型結(jié)構(gòu)的具體物理參數(shù)密切相關(guān))。
　　 綜上所述,本文分析了影響光子晶體傳輸特性的各種參數(shù),提出了一種光子晶體波導(dǎo)的設(shè)計優(yōu)化方法。運(yùn)用平面波展開法計算了由全息法制備的空氣介質(zhì)柱二維光子晶體能帶結(jié)構(gòu)和等頻面圖,分析了在光子晶體中發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象的條件和頻率區(qū)間,并利用時域有限差分法進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明,在較寬的頻率區(qū)間和較大的入射角度范圍內(nèi),全息光子晶體可以發(fā)生明顯的負(fù)折射現(xiàn)象。全息光子晶體負(fù)折射現(xiàn)象的