二维复周期光子晶体禁带特性及缺陷态研究

发布时间：2020-11-19 06:58

　　光子晶体是具有禁带特性的周期性人造晶体,它能够控制不同频率的光波传输。由于其具有独特的光学性质,并且在光学器件上具有独特应用,受到研究人员的广泛关注。与简单的光子晶体相比,复周期光子晶体具有更好的光学可控性。因此,二维复周期光子晶体及缺陷特性是光子晶体研究的重要方向之一。本文构建了基于三角晶格和四方晶格这两种二维复周期光子晶体,并设置了点缺陷、线缺陷、风车型缺陷和卍型缺陷等多种缺陷,研究缺陷态对光子晶体禁带特性的影响。本论文的主要科研内容及创新点如下所述:首先,利用平面波展开法(PWE,Plane wave expand method)计算单/复周期三角晶格以及四方晶格光子晶体不同介质柱的半径尺寸、介电常数与光子晶体完全禁带宽度及禁带条数的关系。结果表明:复周期结构破坏了晶格的对称性,而晶格结构对称性的降低能够提高禁带宽度;单/复周期结构三角晶格光子晶体的完全禁带宽度都大于相同条件下四方晶格光子晶体的完全禁带宽度;复周期结构三角晶格光子晶体在大、小介质柱半径分别为0.48μm、0.01μm时获得最宽的完全禁带,禁带宽度大小为0.08396(?a/2πc);在不存在完全禁带的尺寸条件下,改变大小介质柱的介电常数能够使其产生完全禁带,且三角晶格光子晶体在大介质柱半径为0.48μm,介电常数为1,小介质柱的半径尺寸为0.08μm,介电常数为22.8时,产生最宽完全禁带,宽度最大达到0.13448(?a/2πc)。其次,利用平面波展开法的超胞理论算法,研究了完全禁带最宽时的复周期三角晶格光子晶体点、线缺陷态下的光传输特性。研究结果表明:与线缺陷复周期三角晶格光子晶体相比,点缺陷复周期三角晶格光子晶体具有更大的禁带宽度。这是因为点缺陷光子晶体可以形成平坦的局域模并将光波局限在点缺陷里,使得光波不能够在此光子晶体中传播,只能使特定频率的光波通过;而线缺陷光子晶体因不能够产生平坦的局域模,而导致光波会直接通过缺陷传播。因此,可以通过人工缺陷,来实现调节光子晶体禁带宽度的要求。最后,针对单周期四方晶格光子晶体创新性引入“风车”和“卍”型复杂缺陷,研究了缺陷态的结构参数对光子晶体TM禁带宽度的影响。研究结果表明:奇数扇叶风车缺陷和卍型缺陷光子晶体旋转后极大的破坏了缺陷的对称性,提高了TM的禁带宽度;偶数扇叶缺陷光子晶体TM禁带宽度大小的提高并不明显,但是偶数扇叶的风车缺陷比奇数扇叶的风车缺陷所产生的TM禁带更宽,TM禁带在四叶风车缺陷时最宽,达到0.05382(?a/2πc)。本文基于改变光子晶体晶格结构以及缺陷结构对称性的方法,针对二维复周期光子晶体的禁带及光传输特性,创新性地展开了不同点、线及复杂缺陷态对其性能影响的研究,为进一步了解二维复周期光子晶体的禁带特性提供基础,为其光传输性能的人工调制提供理论基础和设计手段。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734
【部分图文】：

光子晶体,光子禁带

介质的排列也具有周期性。但三维光子晶体相对二维光子晶体来说计算和加工都相对复杂，如图1.1（c）。光子禁带[11-14]（photonic band gap, PBG）是光子晶体最基本也是最重要的性质。如图 1.2 所示，阴影部分为光子禁带，由于禁带中没有光子态的存在，所以落在光子禁带频率内的光不允许通过。因此，可以通过调控禁带频率范围及其宽度来控制不同频率光的传播。

光子带隙,禁带