二維復(fù)周期光子晶體禁帶特性及缺陷態(tài)研究

發(fā)布時(shí)間：2020-11-19 06:58

　　光子晶體是具有禁帶特性的周期性人造晶體,它能夠控制不同頻率的光波傳輸。由于其具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì),并且在光學(xué)器件上具有獨(dú)特應(yīng)用,受到研究人員的廣泛關(guān)注。與簡(jiǎn)單的光子晶體相比,復(fù)周期光子晶體具有更好的光學(xué)可控性。因此,二維復(fù)周期光子晶體及缺陷特性是光子晶體研究的重要方向之一。本文構(gòu)建了基于三角晶格和四方晶格這兩種二維復(fù)周期光子晶體,并設(shè)置了點(diǎn)缺陷、線缺陷、風(fēng)車(chē)型缺陷和卍型缺陷等多種缺陷,研究缺陷態(tài)對(duì)光子晶體禁帶特性的影響。本論文的主要科研內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)如下所述:首先,利用平面波展開(kāi)法(PWE,Plane wave expand method)計(jì)算單/復(fù)周期三角晶格以及四方晶格光子晶體不同介質(zhì)柱的半徑尺寸、介電常數(shù)與光子晶體完全禁帶寬度及禁帶條數(shù)的關(guān)系。結(jié)果表明:復(fù)周期結(jié)構(gòu)破壞了晶格的對(duì)稱(chēng)性,而晶格結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的降低能夠提高禁帶寬度;單/復(fù)周期結(jié)構(gòu)三角晶格光子晶體的完全禁帶寬度都大于相同條件下四方晶格光子晶體的完全禁帶寬度;復(fù)周期結(jié)構(gòu)三角晶格光子晶體在大、小介質(zhì)柱半徑分別為0.48μm、0.01μm時(shí)獲得最寬的完全禁帶,禁帶寬度大小為0.08396(?a/2πc);在不存在完全禁帶的尺寸條件下,改變大小介質(zhì)柱的介電常數(shù)能夠使其產(chǎn)生完全禁帶,且三角晶格光子晶體在大介質(zhì)柱半徑為0.48μm,介電常數(shù)為1,小介質(zhì)柱的半徑尺寸為0.08μm,介電常數(shù)為22.8時(shí),產(chǎn)生最寬完全禁帶,寬度最大達(dá)到0.13448(?a/2πc)。其次,利用平面波展開(kāi)法的超胞理論算法,研究了完全禁帶最寬時(shí)的復(fù)周期三角晶格光子晶體點(diǎn)、線缺陷態(tài)下的光傳輸特性。研究結(jié)果表明:與線缺陷復(fù)周期三角晶格光子晶體相比,點(diǎn)缺陷復(fù)周期三角晶格光子晶體具有更大的禁帶寬度。這是因?yàn)辄c(diǎn)缺陷光子晶體可以形成平坦的局域模并將光波局限在點(diǎn)缺陷里,使得光波不能夠在此光子晶體中傳播,只能使特定頻率的光波通過(guò);而線缺陷光子晶體因不能夠產(chǎn)生平坦的局域模,而導(dǎo)致光波會(huì)直接通過(guò)缺陷傳播。因此,可以通過(guò)人工缺陷,來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光子晶體禁帶寬度的要求。最后,針對(duì)單周期四方晶格光子晶體創(chuàng)新性引入“風(fēng)車(chē)”和“卍”型復(fù)雜缺陷,研究了缺陷態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光子晶體TM禁帶寬度的影響。研究結(jié)果表明:奇數(shù)扇葉風(fēng)車(chē)缺陷和卍型缺陷光子晶體旋轉(zhuǎn)后極大的破壞了缺陷的對(duì)稱(chēng)性,提高了TM的禁帶寬度;偶數(shù)扇葉缺陷光子晶體TM禁帶寬度大小的提高并不明顯,但是偶數(shù)扇葉的風(fēng)車(chē)缺陷比奇數(shù)扇葉的風(fēng)車(chē)缺陷所產(chǎn)生的TM禁帶更寬,TM禁帶在四葉風(fēng)車(chē)缺陷時(shí)最寬,達(dá)到0.05382(?a/2πc)。本文基于改變光子晶體晶格結(jié)構(gòu)以及缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的方法,針對(duì)二維復(fù)周期光子晶體的禁帶及光傳輸特性,創(chuàng)新性地展開(kāi)了不同點(diǎn)、線及復(fù)雜缺陷態(tài)對(duì)其性能影響的研究,為進(jìn)一步了解二維復(fù)周期光子晶體的禁帶特性提供基礎(chǔ),為其光傳輸性能的人工調(diào)制提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)手段。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：O734
【部分圖文】：

光子晶體,光子禁帶

介質(zhì)的排列也具有周期性。但三維光子晶體相對(duì)二維光子晶體來(lái)說(shuō)計(jì)算和加工都相對(duì)復(fù)雜，如圖1.1（c）。光子禁帶[11-14]（photonic band gap, PBG）是光子晶體最基本也是最重要的性質(zhì)。如圖 1.2 所示，陰影部分為光子禁帶，由于禁帶中沒(méi)有光子態(tài)的存在，所以落在光子禁帶頻率內(nèi)的光不允許通過(guò)。因此，可以通過(guò)調(diào)控禁帶頻率范圍及其寬度來(lái)控制不同頻率光的傳播。

光子帶隙,禁帶