二維光子晶體的帶結構及波導特性研究.pdf

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

2、了研究的焦點。人們往往借助計算機進行精確的計算,來設計光子晶體結構,并致力于制造新的光子晶體并測試它們的特性。 這篇論文分析了二維方型光子晶體的帶結構特性,因為二維方型光子晶體較容易制作并且很合適制作各種波導器件。 首先,對二維光子晶體的電磁波理論及周期介質中的Bloch波解作了詳細的推導,給出了光子晶體中的禁帶存在的理論依據,同時以正方晶格的二維光子晶體為例,用平面波展開方法計算了正方格子式二維光子晶體的頻率帶結構,并且分析了禁帶隨介

3、質填充因子的變化關系,討論了禁帶隨介質填充因子,介電常數的變化。并且在光子晶體中引入缺陷后,完全光子禁帶中就出現相應的局域模,引入平面波導就能導光,給出了二維方型光子晶體的波導的TM模的電場分布。 其次,設計了一種二維方型旋轉正四邊形直柱光子晶體,這種結構降低了光子晶體的對稱性。通過運用平面波展開方法以及有限差分時域(FDTD)方法進行分析,可以明顯地發(fā)現,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,計算了

4、空氣中的A1材料的旋轉四邊形直柱光子晶體的帶結構。我們發(fā)現,在f=0.5才存在完全光子禁帶,旋轉角度為45度時,完全光子禁帶最大,旋轉角度為0度時,光子禁帶位于高頻區(qū)域。還運用FDTD方法檢驗了計算結果,并分析了旋轉角旋轉角度為45度時,正四邊形直柱光子晶體的波導特性以及TM模的電場分布。 利用平面波方法分析了二維光子晶體的波導特性(色散關系和態(tài)密度),得到二維光子晶體線缺陷所形成的波導模式的色散關系。由于波導邊界的周期性,某些波長的光