王身云[1]2007年在《光子晶体电磁特性分析与大带隙结构设计》文中认为光子晶体是一种由介质和金属周期性排列构成的人工材料,即所谓的“光半导体”。由于其独特的性能和潜在的巨大的应用前景,光子晶体已成为近十多年来国际科学领域研究热点。光子晶体结构的复杂性,使人们难以对其做定性或解析分析,只能应用繁复的数值模拟,因此光子晶体计算方法理论是本论文的主要线索。时域有限差分方法(FDTD)在电磁场数值模拟领域正受到越来越多的注意。它直接在时域求解离散化了的麦克斯韦方程组,能模拟任意几何形状的结构;它的另外一个优点是可以通过脉冲输入响应的傅立叶变换,一次计算出包含很大频率范围的结果。本学位论文首先对二维光子晶体材料给出理想性假设并详细推导出适用于计算二维光子晶体带隙的时域有限差分方程,并利用时域有限差分方法分析了光子晶体线缺陷的在近红外波段的电磁特性,即电磁波在线缺陷内传播有拐弯角度大,损耗小,容易集成等优点。然后分析了线缺陷与点缺陷的电磁耦合特性,并设计了一种能提高单频电磁波耦合效率的分频模型。转移矩阵方法是一种简单但很实用的方法,主要适用于计算一维光子晶体的带隙结构。光子晶体的主要特性就是光子禁带,然而只有特殊的周期结构才有光子禁带,因此光子晶体结构设计是光子晶体理论研究的重要内容。本学位论文提出了复周期结构光子晶体概念,即由两种及以上的参数结构的光子晶体构成。本学位论文设计了一维复周期结构光子晶体和二维复周期结构光子晶体,分别选用转移矩阵方法和时域有限差分方法计算出了相应的光子带隙,结果表明复周期结构光子晶体的带隙明显大于各组合光子晶体的带隙。平面波算法是光子晶体的常规算法,它是已有光子晶体算法中提出最早、应用最广的算法,但平面波算法具有慢收敛性的缺点。本学位论文利用平面波展开法研究分析了二维光子晶体的完全带隙,并根据扫瞄计算分析设计出获得较大完全光子带隙的光子晶体结构参数。适用于等离子体的分段线形电流密度卷积时域有限差分(PLCDRC-FDTD)算法是一种具有较高计算效率和计算精度的数值计算方法,本学位论文用此算法分了等离子体光子晶体的特性,并分析了等离子体各重要参数对等离子体光子晶体电磁带隙的影响。总之,本学位论文工作涉及光子晶体算法理论、光子晶体新结构的设计及光子晶体新材料的应用,在各方面都取得了有特色的研究成果。
葛祥友[2]2006年在《光子晶体的能带结构研究及大带隙设计》文中研究表明光子晶体是一种具有周期性介电常数的介电材料。它最主要的特征就是具有光子带隙。频率落在光子带隙中的电磁波在光子晶体中无法传播，这样人们就可以根据实际需要来设计不同结构的光子晶体以实现对光的控制。由于光子晶体独特的性能和潜在的巨大应用，已经吸引了越来越多的关注，成为一个迅速发展的新的科学领域。 为了研究光子晶体的各种性质，我们首先需要在理论上对它的能带结构和性质进行研究。因此利用目前所知的处理复杂电介质结构中的Maxwell方程组的各种数值计算方法研究光子晶体的能带结构和带隙是本文的主要内容。光子晶体的理论研究发展了许多不同的理论计算方法，本文主要介绍平面波展开法及其在光子晶体中的应用。使用基于平面波展开的频域块迭代方法的计算机模拟软件计算二维及叁维光子晶体的能带结构，并对其带隙规律进行研究。 第一章对光子晶体的基本概念及研究光子晶体所用到的基本原理进行了说明，并把光子晶体能带结构和电子的能带结构进行了比较。然后简要介绍了光子晶体的几项应用。第二章是光子晶体的能带理论与数值模拟，理论方法部分的主要内容是平面波法在光子晶体中的应用。数值模拟部分主要对二维和叁维情况中的计算机模拟步骤作了说明，对模拟要用到的基于平面波的频域块迭代方法作了介绍。 计算结果部分首先给出了二维叁角晶格各偏振模式的能带结构和场分布，根据场分布图分析了带隙出现的原因。然后分析了晶格参量对TM偏振带隙结构的影响。计算了叁角晶格空气柱型光子晶体的完全带隙，并对影响完全带隙的各种因素进行了分析。此外还对一种各向异性介质二维叁角晶格结构的能带结构进行了计算，与各向同性介质的晶格相比这种晶格具有更高的带隙。提出了一种相互嵌套的长方晶格正方介质柱的二维光子晶体模型，在介电常数比为12时得到了15.68％的大带隙，这种模型在一定参数范围内具有很好的稳定性，适合实际制作。同时还介绍了一些其他的具有大带隙的二维光子晶体的晶格结构。由于叁维光子晶体在理论分析和实际制作上的困难，在叁维光子晶体的讨论中，主要对面心立方晶格和钻石品格的能带结构进行了分析。钻石晶格可以看作两个简单的面心立
冯尚申[3]2003年在《大带隙二维光子晶体的设计》文中指出光子晶体是发展非常迅速的研究领域，近年来，在理论和实验上均已取得不少成果。光子晶体具有的“光子禁带”和“光子局域”的特性，决定了它具有广阔的应用前景。探索更大绝对禁带的光子晶体结构仍然是该领域的研究方向之一。 本文提出了两种新型各向异性材料(碲)(ε_o=23.04,ε_e=38.44)和空气作为介质，构成的二维网带状光子晶体结构，应用有限时域差分方法(FDTD)，数值分析了它们的能带特性，通过优化结构参数，对第一种结构，当网带宽度b=0.01a，园柱半径R=0.2468a时，具有0.05ω_e(ω_e=2πc／a,a为晶格常数，c为光速)的绝对光子禁带宽度 (Δω)，其中心频率ω_(mid)为0.448(ω_e,Δω／ω_(mid)=11.2％，并同时存在两个完全禁带；对第二种结构，当网带宽度b=0.012a，四方介质柱边长s=0.4068a时，具有最大光子禁带宽度Δω为0.064ω_e，其中心频率ω_(mid)为0.475ω_e，Δω／ω_(mid)=13.5％，该结果远大于已提出的各向异性二维光子晶体的完全禁带。研究结果还表明，这两种光子晶体的带隙均具有较好的稳定性，有利于实验制作。 进行光子晶体的理论分析面临着大量的数值计算，而寻求精确快捷的计算方法一直是光子晶体理论研究内容之一。本文提出不管哪种结构均可看成是由很多个同样大小的小矩形或正方介质像素组成的，对这种二维像素型光子晶体结构，对传统平面波展开法可经修正使之收敛速度大大提高。本文用修正后的平面波方法，数值分析了由常见的半导体材料GaAs(ε=11.4)和空气为介质组成的二维光子晶体的能带结构，发现了一些有意义的结果。对一种长方晶格结构的光子晶体，通过反复调节介质柱的长、宽和晶格的长、宽，得到该结构最大绝对禁带宽度Δω=0。0514ω_e，其中心频率ω_(mid)=1.4838ω_e,Δω／ω_(mid)=3.5％。对一种正方晶格结构的光子晶体，通过反复调节有关参数，得到优化后的结构，具有最大绝对禁带宽度Δω=0.0995ω_e，中心频率ω_(mid)=1.2625ω_e,Δω／ω_(mid)=8％，并得到了绝对禁带宽度随参数变化关系。对一种叁角晶格结构的光子晶体，通过反复调节有关参数，得到优化后的结构，具有最大绝对禁带宽度Δω为0.1364ω_e，中心频率ω_(mid)为1.0444ω_e,Δω／ω_(mid)=13.1％。经修正后的平面波方法，对研 冯尚申：大带隙二维光子晶体的设计（浙江大学博士学位论文）2究二维像素型光子晶体的带隙结构是完全有效的，为研究二维光子晶体能带结构提供了一种有效的方法和途径。 本文还用FDTD方法计算了h维像素型光子晶体的缺陷模，发现一般情况下存在多模现象，然而通过选择适当的腔参数，可以实现单模谐振。
于洋[4]2016年在《基于有限元方法的二维光子带隙几何形状和参数优化》文中研究指明光子带隙是光子晶体的基本特性,带隙频率范围内的电磁波在光子晶体中传播会被禁止。本文基于电磁场理论和数值算法主要研究了二维光子晶体的带隙优化设计问题。在TE模和TM模偏振模式下,考虑影响二维方形晶格光子晶体带隙结构的几何和参数因素,包括对称、旋转、半径大小和折射率等因素。本文通过数值模拟的方法,对影响二维方形晶格光子晶体带隙结构主要几何和参数因素进行了分析研究。电磁波在光子晶体中的传播主要是由Maxwell方程组决定,在TE模或TM模偏振模式下,该问题可以转化为周期边界条件的Helmholtz方程系统。对于该微分方程系统,本文分别采取平面波展开法和有限元方法进行数值求解。首先,本文用平面波法对较简单二维结构进行初始探究和优化,分析了 “方形介质”、“圆形介质”和新设计“方形环介质”等基本结构的能带,得到了“初步推断破坏对称性有助于产生宽带隙和改变几何形状的过程具有渐近稳定性”的结论。进一步,用精度更高的有限元法进一步分析了复杂二维结构,如新设计的椭圆和45°斜椭圆结构等,得到了“破坏几何对称性和旋转介质可以增大带隙”的结论。本文进行了大量的数值模拟实验,实验结果不仅设计了若干优化的光子晶体结构,还展示了新的设计方案在优化带隙中的效果。通过对在MATLAB和COMSOL软件上设计的实验结果分析可见,文中新设计的“方形环介质”结构和“从圆形到椭圆再到45°斜椭圆的变化结构”过程,带隙均有所改善,达到了优化的目的。实验结果表明本文的算法设计和优化过程是行之有效的。
黄哲[5]2015年在《类石墨烯与渐变结构光子晶体的设计与应用研究》文中提出光子晶体具有操控光子运动并改变光的行为的能力,这一能力使其在制作更紧凑与更高性能的光器件上有着重要的作用。光子晶体是一种介电常数在空间上呈周期性分布的新型光学微结构材料,当光在光子晶体结构内部传播时,由于受到周期性结构的布拉格散射,在光子晶体中可以形成光子禁带,当入射光的频率处在光子禁带的频率范围时,入射光将无法通过光子晶体结构。光子晶体的这种类似于半导体控制电子般对光子进行控制的特性,必定会对未来光电结合器件乃至纯光器件的应用产生重大影响。一般来说,光子晶体器件的工作频率范围越宽,则频率的抖动对其影响越小,也就是光子晶体器件的稳定性越好。因此在理论上研究光子晶体的能带特性对光子晶体器件的设计有着重大意义。近年来,基于光子晶体能带特性的光器件得到了很大的发展,如光子晶体波导,光子晶体光纤,光子晶体偏振分束器和光子晶体波分复用器等。在对光子晶体应用的研究中,人们不断地通过设计光子晶体结构来获取更理想的结果。有些设计虽然使光器件在最终的性能上得到了提升,但是由于加入了许多诸如缺陷、增反增透等微结构,大大增加了其在制作上的难度。同时光子晶体结构在制作过程中缺乏灵活性,很难根据实际需求对结构进行调整,如在不同使用环境下光束被要求有不同的出射方向。这种要求一般在不增加另外的波导结构来改变出射方向的情况下,是很难满足的。另一方面,光子禁带的带隙率是影响光通信器件性能的重要因素之一,拥有大带隙率的光子晶体在应用上有着广阔的发展前景。本文设计出了多种新型的光子晶体器件,利用时域有限差分法及平面波展开法对所提出的光子晶体器件的性能进行了模拟仿真。本文的研究重点主要在以下两个方面：1.便于制作及结构调整的高效光分束器的研究现已有的光分束器为了提高其传输效率,往往会在光束分束处加入各种类型的微结构,给实际光子晶体器件的制作带来困难。本文提出一种基于自准直及渐变效应的光子晶体Y型分束器,它是将具有自准直效应的正方晶格、空气缺陷及渐变的光子晶体组合起来而得到的一种新型分束器结构。具有自准直效应的光子晶体,用来增加光进入分束结构时的耦合效率,可以大幅减小光在分束前的能量损失。这种分束结构可以在不加入微结构的情况下,实现光束的高效分束。该分束器还可以根据分束光出射方向的实际需要,对结构进行方便地调整,有利于实际光分束器的制作与应用。2.大带隙率光子晶体结构的研究与应用大带隙率的光子晶体在许多领域特别是在光通信领域中,有着重要的应用潜力。使用带隙率较大的光子晶体制作的光通信器件有着较大的通信容量,不仅如此,利用大带隙率光子晶体制作成的光电器件,会有较为显着的光学特性。例如利用大带隙率光子晶体制作成的偏振分束器,可以获得较大的消光比特性。。根据近年来的研究热点——石墨烯结构,本文提出了一种二维类石墨烯复式光子晶体结构。通过研究介电常数之比及介质填充率对光子晶体结构带隙特性的影响,并对光子晶体结构的介电常数比和介质填充率的优化,可以基于TE、TM及完全带隙分别得到叁种具有大带隙率的类石墨烯光子晶体结构,其中TE带隙率超过了目前已知的最大值,达到了55.89%：TM带隙率可以到达50.35%,接近已报道的52%的最大TM带隙率；完全带隙也可以取得较大值,达到了23.97%。这叁种大带隙率的结构,可为研究高性能光子晶体器件提供结构模型参考。本文还对所提出的光子晶体结构进行了应用设计,得到了一种新型的基于二维类石墨烯光子晶体的多功能分束器。通过巧妙地设计可拆卸结构,多功能分束器可以包含偏振分束器及光分束器的功能。与现有的偏振分束器相比,多功能分束器在保证高效率传输的同时,获得了超高消光比的性能。其中,当TE输出端传输效率为-0.04dB,消光比为80.54dB时,TM输出端的传输效率为-0.13dB,消光比为31.76dB。在高精度要求下,这种超高消光比的高效率多功能分束器可以大幅改善由于消光比性能有限而在偏振分束后的传输过程中产生偏振误差的问题。当拆卸掉输出端的TE与TM禁带结构后,多功能分束器实现宽频带高效的1：1光分束功能。综上所述,本文不仅提出了方便满足实际需求和实际制作的光子晶体光分束器,还提出了一种新型的具有大带隙率的类石墨烯结构光子晶体结构,并对结构进行了应用设计,得到了具有优良光学特性的光子晶体多功能分束器。本文所研究的内容对于光学集成、光通信、光电探测及光电传感等领域有着重要的参考价值。
钟凯, 张会云, 张玉萍, 李喜福, 王鹏[6]2007年在《基于六角结构二维光子晶体绝对带隙的优化设计研究》文中研究指明根据平面波展开法对二维光子晶体的能带结构进行计算,采用栅格结构连接电介质圆柱体对六角结构的二维光子晶体进行了优化.通过计算栅格宽度和圆柱体半径对绝对带隙的影响,找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数.优化后的光子晶体的大带隙对光子晶体制造工艺中介质圆柱体半径的偏离具有很好的稳定性,因此该结构的二维光子晶体具有很高的实用性.
张亚茹, 孔令凯, 冯卓宏, 郑志强[7]2010年在《基于空气环结构的大带隙二维光子晶体的设计》文中研究表明用平面波展开法研究了内介质柱截面为长方形的叁角晶格空气环型光子晶体的完全带隙特性。通过调节内介质柱的大小、介电常数、旋转角度以及空气环外半径对完全带隙的影响,找到了一组可以获得大带隙二维光子晶体结构的最佳参数。经优化后得到禁带宽度Δω=0.082(2πca-1)(其中a为晶格常数,c为光速),中心频率ω0=0.401(2πca-1),完全带隙宽度与中心频率的比值达到了20.4%,该结果比圆形内介质柱截面空气环结构的完全带隙大,比普通的空气孔结构的完全带隙增大了37%。
白洁[8]2009年在《太赫兹波段二维正方和叁角晶格光子晶体的带隙分析》文中进行了进一步梳理“光子晶体”的概念由S. John和E. Yablonovitch等人于1987年提出,它是不同的介电材料按照某种方式周期性排列构成的一种人工微结构,具有低色散、低损耗等特性。由于介电函数的周期性变化使电磁波在其中的传播受到周期势场的调制,导致某些频率的电磁波在其中的传播被禁止,这些被禁止的频率区间被称为“光子禁带”,也叫光子带隙。利用这种性质,使人们对光子的控制成为可能,从而制造出对特定波谱范围具有透射或过滤作用的光子器件。本文研究了太赫兹波在二维光子晶体中的传播特性,采用自编的MATLAB程序,基于平面波展开法,用961个平面波进行展开,得到了太赫兹波在晶格常数为0.1mm的二维光子晶体中的能带结构。所研究的光子晶体类型分为两种,分别为:二维正方晶格光子晶体和二维叁角晶格光子晶体,这两种结构的光子晶体分别由Si、GaAs和Ge构成。由于具有大带隙的光子晶体更具有实用意义,因此,通过叁种介电材料构成的两种结构的光子晶体带隙的比较,试图找到对光子晶体带隙的影响因素并总结结构参量的变化对带隙的影响规律。这对在太赫兹波段具有大带隙光子晶体的结构设计具有指导意义通过研究发现,无论是空气柱型正方晶格光子晶体还是介质柱型正方晶格光子晶体,其材料的介电常数比越大,所获得的带隙将越宽。此外,获得较大带隙的另一个重要结构参量是填充比的大小。在空气柱型正方晶格的结构中,相对较大的填充比对于获得大带隙是有利的,而介质柱型光子晶体的带隙出现在填充比相对较小的结构中。并且,将模拟所得的两种光子晶体的最大带隙进行比较后发现,空气柱型光子晶体的带隙宽度要大于介质柱型光子晶体,且前者更容易产生较大的完全禁带,但是比较禁带频率范围可以看出,空气柱型光子晶体的禁带频率范围要略低于介质柱型光子晶体。接下来研究了叁种材料构成的叁角晶格光子晶体的带隙结构,通过比较发现,其带隙受介电常数比影响的变化规律与正方晶格是相同的。空气柱型叁角晶格的带隙出现在具有较大填充比的结构中,而介质柱型叁角晶格的带隙则出现在较小填充比的结构中,且前者比后者更容易产生大带隙。最后,将正方晶格的带隙与叁角晶格的带隙进行比较后发现,叁角晶格的带隙宽度大于正方晶格的带隙宽度,从而可以初步推断晶体结构对光子带隙的影响。综上所述,二维光子晶体的带隙结构与材料的介电常数比、填充比和晶体结构这叁方面的因素密切相关。
程旭攀[9]2008年在《二维光子晶体的完全禁带及缺陷特性研究》文中进行了进一步梳理光子晶体是一种具有周期性介电常数的新型人造晶体,它最主要的特征就是具有光子带隙。由于其独特的性能和潜在的巨大应用,人们对光子晶体的理论分析和实验研究产生了极大的兴趣。目前,二维光子晶体完全禁带以及缺陷特性仍然是该领域的重要研究方向。本文计算了Al2O3、Si、Ge叁种材料的二维介质柱型光子晶体和空气柱型光子晶体完全禁带与晶格结构、填充比、介电常数比等叁个主要影响因素之间的关系。根据计算结果,我们主要针对叁种易出现完全带隙的结构进行了重点计算。改变其介电常数比从8-40,同时改变填充比,以寻找最大禁带结构参数,研究其带隙变化规律。对二维正方晶格光子晶体点缺陷的带结构进行了计算。计算了二维光子晶体直波导和L形弯曲波导的带结构和其中的局域模式,同时对其传输特性进行了模拟。
刘洋, 唐吉玉, 王茜, 段明正, 崔婧[10]2014年在《Ge基二维正方晶格光子晶体带隙优化设计》文中进行了进一步梳理采用平面波展开法模拟二维光子晶体在E极化和H极化下的能带结构,研究Ge基二维正方晶格光子晶体的填充比以及晶格排列结构对最大禁带宽度的影响。结果表明:在空气背景材料中填充Ge柱的介质柱结构中,可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.19~0.47范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.064(归一化频率);在选取Ge为背景材料的空气孔型结构中,同样可产生TE、TM带隙,且各方向完全带隙出现在r/a=0.46~0.49范围内,最大完全帯隙禁带宽度可以达到0.051(归一化频率)。同时,不论在介质柱型还是空气孔型结构中,带隙宽度都随着r/a的增大呈先增大后减小的趋势。
参考文献：
[1]. 光子晶体电磁特性分析与大带隙结构设计[D]. 王身云. 南昌大学. 2007
[2]. 光子晶体的能带结构研究及大带隙设计[D]. 葛祥友. 山东大学. 2006
[3]. 大带隙二维光子晶体的设计[D]. 冯尚申. 浙江大学. 2003
[4]. 基于有限元方法的二维光子带隙几何形状和参数优化[D]. 于洋. 北京邮电大学. 2016
[5]. 类石墨烯与渐变结构光子晶体的设计与应用研究[D]. 黄哲. 山东大学. 2015
[6]. 基于六角结构二维光子晶体绝对带隙的优化设计研究[J]. 钟凯, 张会云, 张玉萍, 李喜福, 王鹏. 物理学报. 2007
[7]. 基于空气环结构的大带隙二维光子晶体的设计[J]. 张亚茹, 孔令凯, 冯卓宏, 郑志强. 光学技术. 2010
[8]. 太赫兹波段二维正方和叁角晶格光子晶体的带隙分析[D]. 白洁. 首都师范大学. 2009
[9]. 二维光子晶体的完全禁带及缺陷特性研究[D]. 程旭攀. 西安电子科技大学. 2008
[10]. Ge基二维正方晶格光子晶体带隙优化设计[J]. 刘洋, 唐吉玉, 王茜, 段明正, 崔婧. 发光学报. 2014
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