色散介质可调谐周期性结构研究

发布时间：2018-10-08 13:23

【摘要】：随着现代通信技术的高速发展,由于人工电磁材料对电磁波独特的调控特性,在民用及国防都有非常重要的应用,因此成为电磁领域新的研究热点。周期性结构作为人工电磁材料中一种拓扑结构,也引起了人们的关注。本文主要研究周期性结构中的光子晶体和电磁诱导透明这两种,同时在设计周期性结构时引入半导体和石墨烯这两种色散介质。由于半导体和石墨烯的物理特性可以通过许多参数进行调制,因此利用这两种色散介质来设计可调谐周期性结构时,具有非常大的优势。本文主要设计了两种周期性结构,分别是基于半导体的一维光子晶体结构和基于石墨烯的电磁诱导透明结构,研究了它的传输特性和可调谐等特性。本文的研究内容和创新点为以下几点:1、讨论了光子晶体研究时主要采用的几种算法,分别阐述了各种算法在处理不同问题时的优劣。同时对本文使用的特征矩阵法进行了详细的介绍和推导。还采用特征矩阵法研究了一维非磁化半导体光子晶体在太赫兹波段的传输特性和全向光子带隙(OBG)。由于该器件的OBG对入射电磁波极化方式和入射角都不敏感,因此可以用来设计全向反射器。我们还讨论了各个参数(填充率和等离子体频率)对OBG的影响。2、研究设计了基于一维半导体光子晶体的模式分离器。对半导体的磁光Voigt效应进行论述,分析在磁光Voigt效应下,半导体材料的物理特性和理论模型,同时研究了当存在外加磁场时,一维磁化半导体光子晶体的传输特性和模式分离特性,还讨论了当外加磁场的强度发生变化时,该结构的模式分离的频带可以在一个较大的频率范围发生调节。3、研究设计了基于石墨烯的电磁诱导透明结构。论述了石墨烯的物理特性和理论模型,分析了各个参数对其介电常数的影响,同时还研究了基于石墨烯的电磁诱导透明器件的机理,分析其传输特性以及各个参数对其传输特性的影响。还研究了该结构的可调谐特性,通过改变费米能级,可以在不改变结构参数的情况下使得透明窗口的频率在一个较大的频率范围调节。
[Abstract]:With the rapid development of modern communication technology, artificial electromagnetic materials have a very important application in civil and national defense because of their unique control characteristics of electromagnetic wave, so it has become a new research hotspot in electromagnetic field. As a topological structure in artificial electromagnetic materials, periodic structure has attracted much attention. In this paper, photonic crystals and electromagnetically induced transparency in periodic structures are studied. Semiconductor and graphene are introduced in the design of periodic structures. Because the physical properties of semiconductors and graphene can be modulated by many parameters, the use of these two dispersive media to design tunable periodic structures has a great advantage. In this paper, two kinds of periodic structures are designed, they are one-dimensional photonic crystals based on semiconductors and electromagnetically induced transparent structures based on graphene. The transmission and tunable properties of these structures are studied. The research content and innovation of this paper are as follows: 1. Several algorithms used in photonic crystal research are discussed, and the advantages and disadvantages of these algorithms in dealing with different problems are discussed. At the same time, the characteristic matrix method used in this paper is introduced and deduced in detail. The propagation characteristics of one-dimensional unmagnetized semiconductor photonic crystals in terahertz band and omnidirectional photonic band gap (OBG).) are also studied by eigenmatrix method. Because the OBG of the device is not sensitive to the polarization mode and incident angle of incident electromagnetic wave, it can be used to design omnidirectional reflector. We also discuss the influence of various parameters (filling ratio and plasma frequency) on OBG, and design a mode separator based on one-dimensional semiconductor photonic crystal. The magneto-optic Voigt effect of semiconductors is discussed. The physical properties and theoretical models of semiconductor materials under magneto-optic Voigt effect are analyzed. At the same time, when there is an external magnetic field, the physical properties and theoretical models of semiconductor materials are analyzed. The transmission and mode separation characteristics of one-dimensional magnetized semiconductor photonic crystals are discussed. The mode separation frequency band of this structure can be adjusted in a large frequency range. The electromagnetically induced transparent structure based on graphene is studied and designed. The physical properties and theoretical models of graphene are discussed. The influence of various parameters on its dielectric constant is analyzed. The mechanism of electromagnetically induced transparent devices based on graphene is also studied. Its transmission characteristics and the influence of each parameter on its transmission characteristics are analyzed. The tunable characteristics of the structure are also studied. By changing the Fermi energy level, the frequency of the transparent window can be adjusted in a large frequency range without changing the structural parameters.
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O441;O734

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本文编号：2256913