光子晶体电磁特性分析与大带隙结构设计

《光子晶体电磁特性分析与大带隙结构设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌史学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名(手写)：蔓再气签字日期：L。。]年，z月19日I学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌盍堂可以将学

2、位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名(手写)：参要去导师签名(手写)：少陟斌签字日期：≥∞7年肛月瑚日签字日期：2。47年／t月。P日第1章光子晶体概述1．1光子晶体简介过去的一个世纪被称为“电的世纪”，电进入了我们生活的每一个角落。在电子信息领域人们为了获得更小的电路体积和更高的信息交换速度进行了不断1的研究。但线路越细电子会表现出明显的量

3、子效应，产生相互作用，能量散失就较多，而更高的速度则对信号同步的准确性要求更高。在电子线路已经发展到极限的今天，科学家们把目光对准了光。他们希望能用光子来取代电子作为·信息的载体，进一步推动人类文明的发展。与电子相比较，光子有许多优势[12：首先，光在介电材料中的传播速度可．以达lO"m／s数量级，而电在金属中的传播速度只有10‘_10‰／s数量级，光传播要快得多。其次，光作为通信载体每秒可携带的数据量比电子要多得多。再次，介电材料的带宽远远大于金属。光纤系统的带宽可以达至l}．1012Hz数量级，而金属导线的带宽只有105Hz数量级。更为重要的一点就是光子没有强相互

4、作用，这可以使传播时能量损耗很小。目前光子作为信号载体的应用主要是光纤，其原理是利用光在高介电系数。材料中传输，在高低介电系数材料的交界面上产生全反射，在这种模式下，界面相对光波来说必须是光滑的，从而就限制了这类光学元件不能做得太小，而且光路的转角不能太大。在1978年，Yablonovitch[2]首先提出了光子晶体的概念。这引入了另一种完全不同的控制光线的机制．光子晶体是一种介电系数周期性变化排布的材料，类似于半导体中原子点阵可以控制电子传播一样，光子晶体也可以控制一定频率的光的传播。在半导体中，当电子在晶体中扩散时，原子点阵形成了一种周期性的势场。点阵的空间排布

5、和势场的强度导致了类布拉格散射，于是就会出现一个能量的禁带，在这个禁带中的电子在任何方向上均不能传播。在光子晶体中，介电系数不同的材料代替了原子，也形成一种周期性的“势场”。如果介电系数的差异足够大的话，在电介质的交界面上也会发生布拉格散射，同样会有能量的禁带出现。在完整三维光子晶体中，光就不能在任方向上传播。第1章光子晶体概述当完整晶体上出现了一个缺陷的时候，光就可以从缺陷处射出，如果该缺陷是一个线缺陷的话，光就会沿着线缺陷的走向行进，这样就可以做到控制光波的传播方向，同时也可以让光波转过很尖锐的弯。由于有光子禁带，转弯时几乎没有能量损失，唯一损耗的光是从入射口逸出

6、的一小部分。1．2光子晶体的结构与分类光子晶体是具有光子能带和能隙的一类材料，根据能隙空间分布的特点，可以将光子晶体分为一维(1D)光子晶体、二维(2D)光子晶体和三维(3D)光子晶体。一维光子晶体是指在一个方向上具有光予频率禁带特性的材料，它由两种介质交替叠层而成。这种结构在垂直于介质片的方向上介电常数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质片平面的方向上介电常数不随空间位置而变化[3]。二维光子晶体是指在二维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料，它是由许多介质杆平行而均匀地排列而成的。这种结构在垂直于介质杆的方向上(两个方向)介电常数是空间位置的周期性函数，而在平

7、行于介质杆的方向上介电常数不随空间位置而变化。由介质杆阵列构成的二维光子晶体的横截面存在许多种结构，如矩形、三角形和石墨的六边形结构[4—6]。横截面不同，获得的光子频率禁带宽窄也不一样。矩形的光子频率禁带范围较窄，三角形和石墨结构的光子频率禁带范围较宽。为了获得更宽的光子频率禁带范围，还可以采用同种材料但直径大小不同的两种介质圆柱杆来构造二维光子晶体[7】。三维光予晶体是指在三维空间各方向上具有光子频率禁带特性的材料。美国贝尔通讯研究所的Yahlonovitch创造出了世界上第一个具有完全光子频率禁带的三维光子晶体，它是一种由许多面心立方体构成的空