周利斌[1]2008年在《一维和二维光子晶体的特性研究》文中提出基于光子晶体器件的研究是一个具有重要应用前景的研究课题,越来越受到国际同行的重视。通过计算光子晶体的特性,寻找符合要求的的光子晶体微结构是制作光子晶体的必要环节。对于一维光子晶体部分,本文利用特征传输矩阵法研究了一维分层结构光子晶体的反射率特性与其微结构的关系,斜入射对反射率特性的影响,以及缺陷模的特性与缺陷层参数、缺陷类型的关系。利用平面波展开法研究了无限周期一维光子晶体的能带结构及其带有缺陷时的能带结构。通过一维光子晶体在不同角度传播时的能带结构可以看出,TE模和TM模能带结构随着传播角度的变化趋势却并不相同:在0°到45°范围内,TE模的第一带隙宽度变化不大主要是位置有些移动;而TM模的除了第一带隙的位置移动外第一带隙的宽度也明显在逐渐减小,尤其在45~0时第一带隙完全消失,这样在45~0附近一维光子晶体就会出现明显的偏振现象。这与用特征传输矩阵法所得到的结论是一致的。对于二维光子晶体部分,利用平面波展开法研究了正方结构和叁角结构二维光子晶体的能带结构与其微结构的关系,并利用平面波展开法的全矢量公式研究了斜入射对二维光子晶体能带结构的影响。从计算结果中可以得到以下结论:不论是正方形结构还是叁角型结构,尽管TE模和TM模的色散曲线形状很相似,但是两者的带隙却并不相同,尤其是正方形结构在<11>方向的第一带隙刚好完全错开,没有重迭;随着波矢k的倾斜角度的增大,TE模的第一带隙逐渐减小并在波矢在(-1,0,1)平面内时完全消失;而TM模的色散曲线则随着波矢k的倾斜角的增大而变得平坦,带隙也是先随之增大,后又逐渐变小直至消失。
党随虎[2]2007年在《Ⅲ-Ⅴ族半导体与有机光电材料一维和二维光子晶体结构设计》文中进行了进一步梳理电子在周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射，会形成能带结构，带与带之间可能存在带隙。电子的能量如果落入在带隙中，传播是禁止的。同样，如果将不同介电常数的介电材料构成周期结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波也会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间出现的带隙，即光子带隙。一定频率范围的电磁波，在光子晶体的特定方向上不能传播。当沿着这个方向入射到光子晶体时，光将全部反射，形成光子带隙。如果光子晶体在所有方向的禁带重合，这种光子晶体被称为完全带隙光子晶体。若带隙不相互重迭，或在某个方向重迭，则称为不完全带隙光子晶体。1987年Yablonovitch和John分别提出了介电常数呈周期性分布的材料可以改变在其中传播的光子的行为，并称这种材料为光子晶体(Photonic crystals)。光子晶体具有控制光在其中的传播的性质，产生了许多崭新的物理特性，可以用于制作全新概念或以前所不能制作的高性能光学器件。目前光子晶体的制备和研究主要集中在波长大于红外、可见光的波段。波长小于可见光波段的光子晶体的理论和实验研究仍然很少，这主要是由于大部分的材料在低于可见光波段存在严重的吸收；另一方面现有的加工工艺制造具有几个纳米或几十个纳米的二维、叁维光子晶体还有很大的难度。由于光子晶体在可见光甚至紫外线波段潜在的应用前景，正在成为研究者关注的热点。本论文采用传输矩阵方法对P30T／AlN多层膜、InP和AlN薄膜网络四方结构、NPB薄膜网格叁角结构及P30T叁角柱状结构分别在紫外区、可见光区和近红外区作为一维和二维光子晶体的带隙特性进行理论分析。对纳米材料用作光子晶体的带隙特性进行了数值模拟，并预测了Ⅲ-Ⅴ族半导体(AlN和InP)、有机光电材料(P30T和NPB)作为光子晶体的可行性。这里我们用Ⅲ-Ⅴ族半导体(AlN和InP)及有机光电材料(P30T和NPB)设计出紫外区、可见光区具有吸收小、易于制造的光子晶体结构，对光子晶体理论研究和新型光学器件应用开发具有一定指导意义。
李兆峰[3]2004年在《一维和二维光子带隙材料的理论和应用研究》文中认为本报告中运用理论计算和计算机模拟的手段对光子晶体的相关应用进行了研究，其中用到的方法有传输矩阵法，平面波展开法，和时域有限差分法等。主要研究结果如下： 1．运用平面波展开法计算了二维光子晶体能带图及等频图，从等频图中找出了具有自校准功能的频率范围和传播方向。在此基础上，运用时域有限差分法对自校准光束在有限宽的波导中的传播行为进行了定量研究。研究发现，要保持波导的传播损耗较小，就必须使波导的宽度大于一个最小值。此外，运用这种自校准效应，还设计了交叉波导，这种交叉波导在压制串讲的同时，还能保持较宽的带宽下很高的传输效率； 2．运用传输矩阵法计算了一维光子晶体的能带图及投影能带图，并提出通过对投影能带图直接裁剪的方法，重迭两个以上的一维光子晶体以拓宽一维光子晶体的全方向反射能带的带宽。与之前已经发表的方法相比较，这种对能带图直接裁剪的方法能够最大限度的拓宽一维光子晶体全方向反射的带宽，与此同时，对所使用材料的折射率系数的要求也得到了放宽； 3．运用传输矩阵法计算并设计发明了一种基于一维光子晶体的波分复用器件。通过在一维光子晶体中引入缺陷层，使一维光子晶体的光子带隙中出现缺陷模，这个缺陷模具有较高的透射率。当光波入射到光子晶体表面时，对于不同波长的波，它们在最大透射率时所对应的角度也不同。用两个成一定夹角的一维光子晶体作为反射镜，就可以将一束含有多个波长的光波在空间上分开，此即解复用过程，这个过程的逆过程即是光波的复用过程。
侯金钗[4]2009年在《光子晶体光纤的带隙特性研究》文中提出光子晶体光纤是在光子晶体概念的基础上发展起来的二维光子晶体材料,因其具有传统光纤无法比拟的奇异特性,引起了国内外广泛的关注和研究,而光子带隙特性是光子晶体光纤的一个重要特征,所以探索具有适当带宽光子带隙的光子晶体光纤结构是一个有意义的研究课题。论文针对光子晶体光纤的带隙特性进行了理论分析和数值模拟,重点研究了带隙特性随光纤的结构参数变化的关系,并设计出一种改进的蜂窝晶格光子晶体光纤,这种光纤在光通讯波段具有较宽的光子带隙。首先,阐明了带隙型光子晶体光纤的国内外研究现状和发展趋势,介绍了这种光纤的基本特性、应用前景以及目前所存在的问题。接着从Maxwell方程出发,利用全矢量平面波展开法推导了求解光子晶体光纤带隙的特征方程,为模拟光子晶体光纤带隙特性奠定了理论基础。其次,利用求解光子带隙的特征方程,并结合具体的光子晶体结构,利用MATLAB编写程序,计算了一维和二维光子晶体的带隙图;重点分析和讨论了气孔直径和空气填充率对光子晶体光纤平面内和平面外带隙的影响,并找出了有效介电常数与光子晶体光纤带隙之间的关系。最后,利用Rsoft CAD软件,设计出一种改进的蜂窝晶格光子晶体光纤,重点研究了光纤包层中不同层气孔和掺杂介质柱尺寸对带隙的影响,并且与相同参数的叁角晶格、复合蜂窝晶格的光子晶体光纤进行了比较,发现通过改进光子晶体光纤中介质柱的排列或掺杂折射率比较大的介质,有效地调节或增宽光子带隙,光子带隙具有改进的复合蜂窝晶格结构的光子晶体光纤可实现更宽的带隙分布。
董秋云[5]2007年在《激光波段二维光子晶体能带结构的数值计算与设计》文中研究指明光子晶体和负折射特性是当前研究的热点，在微波与光学领域都有巨大的应用前景。二维光子晶体由于其加工工艺较叁维光子晶体简单，容易引入缺陷，以及应用广泛而格外受到重视。二维光子晶体及其负折射特性的理论和应用技术的研究也在不断地深入。本文主要采用平面波展开法(PWE)研究了可见光波段二维光子晶体的完全带隙及场分布情况，通过场分布解释了光子晶体完全带隙形成的机理。通过计算发现在相同参数的情况下叁角排列比正方排列更容易产生完全带隙，研究了如何选择合适的参数来获得尽可能宽的完全带隙。计算出了带隙中心位于可见光波长为580nm的介电常数为13.69的二维叁角晶格的光子晶体的具体参数：晶格常数a为237.8nm，空气孔半径r为107.01nm，为设计THz二维光子晶体提供了依据。利用时域有限差分法(FDTD)对二维光子晶体成像及负折射特性进行了模拟仿真，当工作频率处在第二能带内，ω=0.3008(2πc／a)时，光子晶体的等效折射率为n_(eff)=-1时，二维光子晶体具有成像的功能，利用成像公式L_(uv)=u+v+d=2d_(eff)和FDTD法模拟出了物像之间的距离L_(uv)和物距u的变化关系。二维光子晶体绝对带隙和负折射特性的研究，为设计THz二维光子晶体及其应用奠定了基础，具有重要的理论意义和实用价值。
王彤[6]2005年在《PBG结构在微波电路中应用的研究》文中指出PBG结构就是可以实现光子带隙(PBG,Photonic Band-Gap)的周期性结构。光子晶体的概念最初是在光学领域中提出，随着对光子晶体研究的不断深入，现在已经应用到微波和毫米波领域，PBG结构在微波波段制作简单、体积小、重量轻、便于集成的特点具有其它器件无法替代的优势。 本文主要研究了PBG结构在微带电路中的应用。分析了一维和二维平面带隙结构特性。将平面带隙结构应用于微带天线上，分别讨论了在金属地板上蚀刻方形孔、方环型孔和圆形几种不同PBG结构的微带天线，对其进行仿真，并对仿真结果进行比较，分析表明具有PBG结构的微带天线能够有效地抑制高次模，提高天线的性能。此外，本文还研究了一种多层PBG结构，是将金属周期单元构成的平面阵列置于两层介质之间，通过改变周期阵列所在平面的位置以及金属单元的尺寸、形状可以很方便地调节光子晶体结构禁带的宽度和深度。此结构无需在介质衬底中打孔，制作简单，易于集成。作为其实际应用，将此结构应用在交指型带通滤波器之中，寄生通带被抑制了大约20dB。
杨鹏飞[7]2007年在《1+2维光子晶体传输模式特性研究》文中进行了进一步梳理光的传播研究自古至今就倍受人们的关注，实现对光的驾驭更是人类祈盼的梦想。光子晶体的发明，在光子晶体中实现对光传播的控制，使得这一向望成为可能。因而深入地分析研究光在光子晶体中传播所产生的能带和带隙结构、传输模式、色散特性及非线性性质，以企开发出超越电子技术的光子晶体的光源、光放大器、波导、开关和传输光纤，就成为国内外科学界研究的热点。对光子晶体能带结构和传输模式的研究一直是光子晶体研究领域的一个重要的基础性课题。虽然对该方面的研究已开展的较深入，也取得了较丰硕的成果；但更进一步地分析光子晶体能带带隙结构及建立于之上的传输模式和形成机理，仍是值得探索的方向。本文主要应用传输矩阵方法对一维光子晶体的能带带隙结构和纵向传输模式进行了分析，运用等效折射率波导方法对含有缺陷的一维和二维光子晶体的缺陷态传输模式特性进行了探讨，以企得到有意义的结果。本文首先分析了光子晶体中电磁场表征的一般形式，引出了光子晶体的Bolch定理，进而结合传统光学膜层传输矩阵方法分析了一维光子晶体的传输规律和能带结构，指出在波长尺度上的折射率周期性变化，必然导致光子晶体能带产生带隙。其次文中应用传输矩阵讨论了一维光子晶体的纵向传输特征，明确了在光子晶体折射率变化周期为四分之一波长的光程附近，将产生完全反射峰带，当在光子晶体中引入局部的缺陷层，就会在这一完全反射波区产生很窄的零反射即完全透射窗口，且对应为能带带隙中的缺陷态透射谱线。再次文中借鉴传统的光波导理论，分析了含有一个缺陷层的一维光子晶体的横向波导传输场分布和具有线缺陷的光子晶体光纤的波导传输模式。明确了当缺陷区的折射率高于非缺陷区的等效折射率时，光子晶体的传输模式场与传统波导模式是相同的，但光子晶体结构的特殊性，使得其实现对传输特性的控制更多样、更丰富。最后讨论了自发辐射及其在光子晶体中的体现。
李宇杰[8]2010年在《Ge反opal叁维光子晶体薄膜的制备与光学性能研究》文中研究指明光子晶体具有能够调控光子传播的特殊光学特性,成为未来信息产业最有希望的基础材料之一,在光学物理、凝聚态物理、信息工程、新材料等领域引起了广泛关注。Ge作为目前广泛使用的半导体材料,以其为介质制备的Ge反opal和Ge木堆叁维光子晶体,整合了半导体的光电特性和和光子晶体的带隙特性,可用作制备具有特定光学效应的光子器件,具有良好的应用前景。本文采用低压化学气相沉积法(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积法(PECVD)对opal模板填充Ge,制备出具有较高质量的Ge反opal叁维光子晶体薄膜;采用低温和室温PECVD法对高分子木堆填充Ge,制备出高分子-Ge复合木堆。通过理论计算结合实验测试,系统研究了Ge反opal薄膜微观结构状态与宏观反射及透射光学性能之间的关系,进而获得了反opal薄膜光学性能的主要影响因素和调控方法,为Ge反opal光子晶体的实际应用奠定了良好的基础。本文的研究内容与结论包括:1、针对反opal和木堆光子晶体光学性能的研究需求,采用平面波展开法和传输矩阵法对反opal和木堆的光子带隙性能进行了理论计算。获得晶格常数、有效折射率、填充率和入射角度对反opal光子带隙能带和反射系数的影响规律;获得结构参数对木堆光子带隙能带的影响规律。2、针对反opal填充效果的定量表征需求,构建了反opal填充率数值计算的几何结构模型,采用蒙特卡罗法模拟计算,得到了归一化厚度r/d与填充率ff之间的对应关系。3、采用LPCVD法填充Ge制备了Ge反opal。分析了opal结构表层与底层沉积差异的影响因素,通过减小反应速率常数、减小GeH4浓度、增大扩散系数,可减小表层与底层沉积差异。系统研究了工艺参数的影响,实验证明调节反应温度、反应气压和气体流量是调节ff的有效手段,实现了450℃下Ge的致密填充。4、采用PECVD法填充Ge制备了Ge反opal。(1)系统研究了高温PECVD法的反应气压和射频功率对Ge的填充效果的影响。通过提高反应气压,选择适宜的功率范围,实现了550℃下Ge的可控致密填充。(2)系统研究了低温PECVD法的反应温度、气体流量和反应时间对Ge的填充效果的影响。通过选择适宜的射频功率,增大气体流量和反应时间,实现了200℃下Ge的致密填充。(3)研究了室温PECVD法的射频功率对Ge沉积状态的影响,实现了30℃下Ge的沉积。(4)实验证明PECVD过程中,Ge在SiO2微球表面的生长方式为壳层包覆共形生长。5、通过理论计算结合实验测试,系统研究了Ge反opal薄膜微观结构参数与宏观反射光学性能之间的关系。(1)系统研究了晶格常数a和填充率ff对Ge反opal反射光学性能的影响:随着a的增大,带隙反射峰的中心波长和半峰宽均增大。随着ff的增大,带隙反射峰的中心波长和半峰宽增大,band5-band9带反射峰的中心波长反射率增大。通过调节a和ff可有效的调节带隙反射峰位置、半峰宽和中心波长反射率。(2)研究了Ge反opal的变入射角反射光学性能:随着入射角度的增大,带隙发生蓝移,相应带隙反射峰的反射率降低。通过变角度反射光谱研究,证实了Ge反opal存在完全光子带隙。6、研究了Ge反opal薄膜的透射光学性能。(1)实验表明Ge反opal的透射率随波长减小逐渐降低。Band5-band9带所在区域的整体透射率较低,通带与禁带在透射性能上的差异不明显。(2)针对通带透射率低的现象,结合微观结构分析了Ge反opal薄膜中的各种损耗,研究表明损耗主要包括:多晶体Ge导致的吸收损失;结构中的缺陷、不同晶粒取向和空气孔导致的散射损失;薄膜表面漫反射和折射率不同的多界面导致的反射损失。散射损失是反opal整体透射率低的主要原因。(3)研究了增透膜与Ge反opal薄膜复合后的透射光学性能。研究表明:单面镀膜提高了Ge反opal薄膜3～5μm的整体透射率,使带隙与通带的差异明显,对其反射光学性能不产生影响;双面镀膜导致带隙反射峰消失,对光子带隙效应产生不利影响。7、采用毛细微模塑法制备得到两层SU-8木堆和两层PS木堆。采用低温PECVD法得到SU-8-Ge复合木堆;采用室温PECVD法得到PS-Ge复合木堆,烧结去除PS后,得到Ge空心木条有序阵列结构。
李玥[9]2007年在《一维微带光子带隙结构的研究与设计》文中研究指明自从1987年Yablonovitch和John各自独立的提出“光子晶体”这一新概念以来，光子带隙结构(Photonic Bandgap，简称PBG)在微波与毫米波集成电路的应用越来越成为研究热点。目前，国外在此领域的相关理论和实验研究都取得了很大进展。随着国外在光子带隙结构方面研究工作的迅速升温，国内也引起了强烈的反响。然而，相对而言，国内的研究开展较晚，投入力度也较小，与国外相比还存在一定差距。因此，开展本课题的研究具有重要意义。该项目为国家自然科学基金以及四川省学术和技术带头人资助项目。光子带隙结构中存在着类似于半导体中的禁带，称为光子带隙，即某些频率落在光子带隙内的电磁波被完全禁止在光子带隙结构中传播。光子带隙结构在微波电路的集成度、尺寸、重量与成本上都具有不可替代的优势。光子带隙结构的特殊性质使得微波—毫米波集成电路进入了一个新领域，必将呈现广阔的应用前景。本论文首先简要分析不同的因素(包括单元尺寸、周期个数n、单元形状、介质材料的相对介电常数ε_r、周期间距α等)对光子带隙结构的特性的影响，并由此确定介质基板的材料，以及几何尺寸，然后通过比较分析传统的一维圆形和圆环形光子带隙结构，在总结前人经验的基础上设计出圆形和方形双开口环光子带隙结构。这两种结构均简单易于实现及制作。使用仿真软件HFSS对其进行仿真，结果显示：圆形双开口环光子带隙结构简单易于实现，并且可以获得较宽的通带以及较平坦的通带波纹；方形双开口环光子带隙结构具有良好的通带特性，通带内波纹平坦、带内插损小，阻带较深较陡峭(可达-62dB)，减弱了高次谐波的影响，性能最好，有望在微波及毫米波集成电路中获得应用。
付云起[10]2004年在《微波光子晶体及其应用研究》文中提出光子晶体是具有频率带隙的周期介电材料,自20世纪80年代末提出概念以来,受到了广泛关注,并且在微波频段得到了迅速发展。本文通过理论分析和实验相结合,深入研究了微波光子晶体的带隙机理及其基本特性,并在此基础上,对微波光子晶体的应用进行了有意义的探索。 首先研究了一维微波光子晶体传输线。将光子晶体填充到矩形金属波导中,可以获得带阻特性,当光子晶体具有缺陷时,在阻带中出现谐振模式。重点内容是光子晶体微带线,研究了底板蚀刻结构的光子晶体微带线,并提出级联结构来拓展带隙宽度;引入分形结构实现双带隙或多带隙;提出导带蚀刻的光子晶体微带线以解决封装问题;提出一种新型的光子晶体共面波导结构,使光子晶体微带线更适合于MMIC集成。 微带结构上的微波光子晶体被广泛关注,此处光子晶体的周期性是二维的。对于微带结构上微波光子晶体的分析,建立了全叁维理论模型,利用Floquet原理提取一个周期单元进行计算。数值仿真采用周期格林函数与矩量法相结合,利用谱域导抗法得到微带结构的并矢格林函数,求解出光子晶体的能带结构。利用所建立的仿真工具,对多种微波光子晶体的带隙特性进行了计算。一部分是介质型的微波光子晶体,在分析模型中将介质层的厚度及接地板一并考虑,同时引入等效位移电流来模拟空气洞或介质块,比简化二维模型的结果更准确。另一部分是金属—电介质型的平面微波光子晶体,周期单元考虑了多种几何结构,包括十字振子、Eruselum振子、方形贴片、各种环结构等,同时还研究了具有介质覆盖层时光子晶体带隙的变化。 在光子晶体的研究中,一种Mushroom结构的光子晶体因为同时具有频率带隙和相内反射特性而成为研究热点,文中着重对这种微波光子晶体进行了研究。利用周期矩量法计算了其带隙特性,利用FDTD法计算了其反射相位。建立了等效媒质模型,将结构参数与电路集总元件联系起来,并且对此等效媒质模型进行了深入研究和改进,提高了设计的精度,实现了光子晶体的快速设计。在此基础上,提出了几种新型的高阻表面光子晶体结构,它们的优点是结构更加紧凑,非常适合于实际应用。 微波光子晶体的应用前景非常诱人,本文也在此方面作了一定的研究。研究了光子晶体在微带天线中的应用。以同轴馈电微带天线为例,研究了光子晶体对天线性能的影响,得到了设计光子晶体微带天线的基本原则和规律。实际设计了光子晶体口径耦合微带天线和光子晶体卫星导航接收天线。另外将光子晶体应用于波导口径天线的设计,包括波导开口天线和波导介质加载天线,天线的性能得到了较大的改善。
参考文献：
[1]. 一维和二维光子晶体的特性研究[D]. 周利斌. 西北大学. 2008
[2]. Ⅲ-Ⅴ族半导体与有机光电材料一维和二维光子晶体结构设计[D]. 党随虎. 太原理工大学. 2007
[3]. 一维和二维光子带隙材料的理论和应用研究[D]. 李兆峰. 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）. 2004
[4]. 光子晶体光纤的带隙特性研究[D]. 侯金钗. 燕山大学. 2009
[5]. 激光波段二维光子晶体能带结构的数值计算与设计[D]. 董秋云. 南京理工大学. 2007
[6]. PBG结构在微波电路中应用的研究[D]. 王彤. 西安电子科技大学. 2005
[7]. 1+2维光子晶体传输模式特性研究[D]. 杨鹏飞. 西北大学. 2007
[8]. Ge反opal叁维光子晶体薄膜的制备与光学性能研究[D]. 李宇杰. 国防科学技术大学. 2010
[9]. 一维微带光子带隙结构的研究与设计[D]. 李玥. 西南交通大学. 2007
[10]. 微波光子晶体及其应用研究[D]. 付云起. 国防科学技术大学. 2004
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