二维斜三角晶格光子晶体完全带隙研究

在二维正三角晶格光子晶体的基础上,通过改变晶体的晶格基矢构造了一种全新的周期结构。该周期结构的最小周期单元不再是传统意义上的等边三角形,而是一种更为优化的斜三角形结构。利用平面波展开法理论模拟了二维斜三角晶格光子晶体完全带隙的情况,发现所设计结构的完全带隙宽度是二维正三角晶格光子晶体完全带隙宽度的4.3 2倍。分析了介质柱宽度,介质柱旋转角度以及相对介电常数对所构造结构的完全带隙的影响,所得结果对二维光子晶体的理论研究和实际应用有所帮助。为任意角度的二维光子晶体集成波导的研究和制作提供了理论基础。     

二维六方柱光子晶体特性研究

通过平面波展开法对二维六方介质柱（空气孔）光子晶体带隙理论进行了分析,仿真发现带隙的变化与晶格常数的具体取值无关,而只与其填充比有关。三角晶格的这种光子晶体的带隙特性最好,并对空气孔之间产生交叠情况下的带隙特性进行了分析说明。随着介质柱（空气孔）与背景折射率差值的增大,光子晶体的带隙会逐渐变宽,而且带隙的位置也会向低频移动。用FDTD法对四方晶格的二维六方柱光子晶体波导透射特性进行了仿真,仿真结果表明其与波导的带隙结果吻合。     

光子晶体波导中的孤子传输及其延迟特性研究

研究了正方晶格和三角晶格空气背景硅介质柱光子晶体线缺陷波导导模左带隙边缘处的亮孤子脉冲传播特性及其慢光延迟特性. 采用平面波展开法仿真分析了波导相邻两行介质柱大小r₁和r₂以及波导宽度D对孤子脉冲传输所需峰值功率P₀和延迟时间T_s的影响,总结了其变化规律. 通过调整波导结构得到了正方晶格和三角晶格优化波导结构,优化后,正方晶格结构波导P₀减小了81.17%,T_s增加了66.32%;三角晶格结构波导P₀减小了73.7%,T_s增加了67.63%,实现了孤子传输性能的大幅度优化. 关键词： 光子晶体波导 光孤子 峰值功率 延迟时间     

二维光子晶体T型波导分支器数值模拟研究

采用平面波展开法和时域有限差分法,对GaAs二维正方晶格光子晶体的色散特性和带隙结构进行了数值模拟研究,并对GaAs二维光子晶体线缺陷构成的T型波导分支器的微波传输特性进行了模拟和优化。数值模拟结果表明,光子晶体填充比对带隙结构有显著地影响。通过在拐角处插入额外的电介质棒对GaAs二维正方光子晶体T型波导分支器进行优化,数值模拟的结果表明,优化的GaAs二维正方光子晶体T型波导分支器在一阶带隙范围内透射系数将提高到0.96以上。     

二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算

二维单斜点阵光子晶体在光学聚焦器件及光子晶体波导中有重要的应用价值，详细讨论了二维单斜点阵光子晶体的第一布里渊区及带隙计算，并与常规方法计算得出的二维正三角形晶格光子晶体的带隙结构进行了比较.最后讨论了临界条件下二维单斜点阵光子晶体的带隙结构，证明了本方法的有效性.     

分数阶衍射蜂窝晶格中带隙涡旋孤子的传输与控制

基于分数阶非线性薛定谔方程,研究分数阶衍射效应下蜂窝晶格中带隙涡旋光孤子的存在性与传输特性.首先采用平面波展开法得到蜂窝晶格能带结构,其次在带隙结构中分别采用改进的平方算子迭代法、分步傅里叶法和傅里叶配置法研究含有蜂窝晶格势的分数阶非线性薛定谔方程中带隙涡旋孤子的模式及其传输特性.研究结果发现带隙涡旋孤子的传输特性受Iévy指数和传播常数的影响.在稳定区间,带隙涡旋孤子可以稳定传输,而在非稳定区间,带隙涡旋孤子会随着传输距离的增加而逐渐汇聚,失去环状结构演变为基孤子.且Lévy指数越大,带隙涡旋孤子能够稳定传输的距离越长,功率越低.此外,相邻晶格同相位两个带隙涡旋孤子与旁瓣能量相叠加,反相位两带隙涡旋孤子与旁瓣能量相抵消,传输过程中逐渐失去环状结构,演化为类偶极子模式,且受方位角调制影响而周期性旋转.在非相邻晶格处两带隙涡旋孤子,由于旁瓣影响较小,带隙涡旋孤子在传输过程中能较好地保持环状结构.     

不同晶格磁性光子晶体异质结的界面传导模

利用平面波展开方法研究了两种二维磁性光子晶体(MPC)的带隙(PBG)结构,一种磁性光子晶体是在长方格子纯电介质背景上放置磁性介质长方形散射子,另一种是在三角形格子纯电介质背景上放置磁性介质圆形散射子。计算了这两种磁性光子晶体的带隙随磁导率的变化规律,发现这两种磁性光子晶体的带隙宽高比(带隙宽与带隙中心位置比)都比较大。在此基础上由这两种磁性光子晶体构成了磁性光子晶体异质结(MRRTC异质结),并利用超原胞方法计算了这种异质结的带隙结构。研究发现MRRTC异质结无需从界面做晶格拉开或者侧向滑移就可在绝对带隙中产生界面传导模。分别从MRRTC异质结的界面处做晶格拉开和侧向滑移,发现传导模位置及形状发生了很大变化。     

基于晶格效应的光子晶体带隙特性研究

对10种类型阿基米德晶格按不同晶格点阵进行分类,利用平面波展开法数值计算了光子晶体的能带结构,讨论归一化半径对其带隙的影响,比较了低频带隙相对宽度值.计算结果表明:单胞含多个"原子"的类正方晶格和类三角晶格光子晶体均存在TM模各向同性带隙和低频带隙,还容易产生TE模和TM模的完全带隙,进一步分析发现(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格打开TM模的低频第1带隙下边界值为最小;选择合适归一化半径分别为0.2和0.26,类正方晶格和类三角晶格光子晶体都能够得到较宽TM模低频带隙的最大值,(32.4.3.4)晶格和(3.6.3.6)晶格获得低频带隙为最宽.典型复式晶格空气环/硅光子晶体能够获得较宽的完全带隙.研究结果为设计新型光学器件提供了理论依据.     

复合缺陷型电磁帯隙谐振腔

提出了一种复合缺陷型电磁带隙(EBG)谐振腔,通过对该EBG结构的带隙分析,指出该谐振腔可在大尺寸下实现单模工作,提供更大的容差空间,且具有高Q值.数值模拟结果表明,基于复合缺陷EBG结构构成的谐振腔,单模工作条件可以放宽到外圈金属柱直径与周期之比为0.6,内圈金属柱直径与周期比为0.9;而传统中心缺陷型EBG结构的小于0.3. 关键词： 电磁带隙 复合缺陷 谐振腔 单模     

一种电磁带隙结构的快速分析方法

 使用直接传输方法分析有限周期Mushroom-like 电磁带隙结构的表面波带隙,与无限周期的电磁带隙结构表面波色散能带图相比,该方法能大大缩短分析时间。将电磁带隙结构放置于波导底面,通过计算波导的传输系数,分析了不同波导高度和电磁带隙结构周期数对带隙范围的影响。加工了Mushroom-like电磁带隙结构样品,并使用一对探针耦合的方法测量了电磁带隙结构的TE和TM表面波带隙,实验结果表明使用直接传输方法确定的表面波带隙与测量数据吻合良好,证明了此方法的有效性。     

Abnormal behaviour of one-dimensional photonic crystal with defect

The effect of introduction a defect in a conventional one-dimensional photonic band gap (PBG) structure in respect of the dispersion relation, reflectivity, group velocity and effective group index of such a structure has been studied. In particular, the dependence of various properties of such a structure on the angle of incidence of the electromagnetic waves has been given more importance in the present study. The study shows that inside the conventional PBG structure as well as defect PBG structure, the group velocity and effective group index become negative for certain ranges of normalized frequency. In a defect PBG structure, it is possible to achieve desired values (negative or positive) of group velocity and effective group index by choosing appropriate angle of incidence, whereas in conventional PBG structures, the maximum (negative and positive) values of group velocities and effective group index are found to be almost independent of the angle of incidence. This is a unique property of defect PBG structure which is different from the properties of conventional PBG structures. Because of this unique property, defect PBG structure may be widely used for construction super lenses, lasing without inversion and other optical systems in photonics.     

The effect of etching interfacial layers on the absolute photonic band gap in two-dimensional photonic crystals

The photonic band structures of two-dimensional (2D) photonic crystals with etched interfacial layers between air rods and the background dielectric is studied theoretically. The effect of etching interfacial layers on absolute photonic band gap (PBG) is analyzed quantitatively. Numerical calculations are carried out based on Maxwell's equations and the plane-wave expansion method. It is shown that the physical property of interfacial layers influence the absolute PBG, and the existence of interfacial layers cannot enlarge the largest absolute PBG of an ideal case without interfacial layers.     

Bidirectional beam propagation method based on the method of lines for the analysis of photonic band gap structures

The bidirectional beam propagation method based on the method of lines is proposed as an innovative and efficient algorithm to investigate the optical properties of photonic band gap (PBG) structures. A few examples illustrate the application of this technique to the modeling of passive, lossy and active one-dimensional and index confined PBG structures. The algorithm results are validated by comparison with those obtained via the transfer matrix method, the mode-matching method and the finite difference time domain method. With respect to these methods, the present algorithm exhibits accurate results with reduced computer resources.     

通信波段硅基气孔光子晶体的带隙特性及其物理模型研究

用平面波展开法对硅背景下的通信波段不同晶格类型和气孔形状光子晶体的能带结构进行数值计算与分析,提出了相应的物理模型.结果表明:利用光子受限效应和晶格对称性效应可以有效地调控光子带隙.随光子晶体填充率的增加,其约束光子的能力增强,光子带隙在一定范围内展宽且其中心频率蓝移;带隙随晶格对称性增加而变宽.对基元形状和旋转角度的研究发现,光子带隙随基元旋转角度变化具有周期性和对称性,表现出各向异性,由此优化出对应的不同晶格的最佳谐振腔型结构.     

The influence of the micro-topology on the phononic band gaps in 2D porous phononic crystals

The phononic band structures of two-dimensional metal porous phononic crystals consisting of different lattices (the lattice structures transformed from square to triangle), and pores of various shapes (circle, square, and triangle) and sizes are studied numerically by using Finite Difference Time Domain (FDTD) scheme. It is found that for x-y mode waves, the absolute phononic band gaps (PBGs) rely more on the pore shapes. For triangular pores, the PBG is opening in the whole process of the lattice transformation, and for circular ones, the PBG is closed after a certain lattice structure. No PBG forms in the crystals with square pores. The PBG can be varied by adjusting the size of the pores. But a critical porosity exists for the opening of the PBG.     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

Microwave photonic crystal multiplexer and its applications

The application of photonic band gap (PBG) structures to a microwave switch is studied. For this purpose, a frequency selective multiplexer is implemented combining one-dimensional PBG structures. The tunability of microwave photonic crystals (PCs) with ferrites and/or ferroelectric materials is then considered. A theoretical calculation performed on a two-dimensional hexagonal lattice of air rods embedded in a rectangular ferrite slab shows that the PBG is well tunable with external magnetic field parallel to the air rod. We have also discussed the implementation of microwave switch combining the tunability of PBG structures of ferrite and/or ferroelectric materials and the frequency selective nature of PBG multiplexer.     

外磁场与温度对低温超导光子晶体低频禁带特性的影响

文中用传输矩阵法(TMM)分析了TM波垂直入时,超导光子晶体的低频禁带特性,并讨论了外磁场与温度对禁带的影响.分析结果表明:超导光子晶体存在频率从0开始的低频禁带;当没有外磁场作用时,由于超导中正常态电子的影响,低频禁带的截止频率与温度无关;有外磁场作用时,温度才对截止频率具有可调性.外加恒定磁场时,低频禁带的截止频率随温度升高而减小;而在正常态电子的作用下,温度对处在超导态超导光子晶体禁带截止频率的调节范围相对忽略正常态电子情况下减小.恒温下,通过调节外磁场来控制带隙时,正常态电子的贡献很小可忽略不计;外磁场强度增大禁带截止频率减小.当超导体完全处于正常态时,低频禁带消失.     

Diffraction effects in guided photonic band gap structure

The concept of the photonic band gap (PBG) structures stems from ideas of Yablonovitch. The idea is to design components so that they affect the properties of photons, in much the same way that ordinary semiconductor crystals affect the properties of electrons. In fact, the PBG structures forbid propagation of photons for a particular range of energy. They can be used to realise optical filters with large stop band and sharp transmission resonance. In the guided PBG structures, the existence of diffractive effects in the vertical dimension could limit the quality factor of such filters. In this paper, we have investigated the origin of diffraction losses in one-dimensional guided PGB structures using 2D and 3D numerical tools. We propose an analytical approach based on Bragg diffraction relation to explain these losses phenomenon. From this approach, the influence of some design parameters on the electromagnetic behaviour and the spectral response of PBG resonators will be explained.     

电磁波在周期介质中的传播及二维光子晶体的光子带结构

光子晶体是光学与凝聚态物理交叉的新领域,也是近年来应用物理学的一个重要研究领域,它是一种由介电常数高的(低的)介质在另一种介电常数低的(高的)背景介质中周期排列所组成的人造多维周期结构材料,能够产生光子带隙。频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播,因而具有能够抑制原子、分子的自发辐射等诱人的光电子学特性,在基础研究和实际应用上都有着巨大的潜力。本文在这一领域里进行了富有成效的研究,获得了很好的结果。主要有:(1)利用平面波展开方法来计算二维光子晶体的带隙结构。首先,我们设计正方晶胞的二维光子晶体模型。设x₃方向为介质柱的轴方向,二维周期结构在x₁-x₂平面上。晶胞的晶格常数为a,半径为r,介质柱和空气柱的介电常数分别为ε_a=17和ε_b=1,a>2r。设计的核心思想是通过降低光子晶体结构的对称性,消除光子能带在晶体的布里渊区高对称点上的本征简并。(2)对于二维光子晶体的电磁波理论及周期介质中的Bloch波解做了详细的推导,给出了光子晶体中禁带存在的理论依据。同时以正方格子晶格的二维光子晶体为例,验证了电介质在空气圆孔中的排列存在E偏振和H偏振的光子带隙重叠区,称为绝对光子带隙。对于二维的光子晶体,两种本征偏振模式的光子能带结构可以独立地调节,以实现两者的光子带隙的最优重叠, 从而大大提高了二维光子晶体的完全带隙宽度。