二维三角晶格光子晶体与波导传输特性的分析

《二维三角晶格光子晶体与波导传输特性的分析》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、曲阜师范大学硕士研究生毕业论文掌“痕。濑图I1光子晶体的空间结构示意圈一维光子晶体是指不同介电材科在一个方向上呈周期捧列，类似于波动光学中的多层介质膜材料，如图ll(a)所示。一维光子晶体由于制备相对简易，计算简单，人们对其研究已颇具规模【划。二维光子晶体是指在介电材料在一个平面上周期性排列的柱体结构，在二维空间各个方向上具有光子频率蔡带特性的材料。这种结构在垂直于介质柱的方向上(两个方向)介电常数随空间位置作周期性变化．而在平行于介质柱的方向上介电常数不随空间位置而变化。由介质柱阵，0构成的二维光子晶体的横截面有很多种结构，如三角

2、形、四角形和石墨六边形结构等【训。截面形状不同．获得的光子频率禁带的宽度也不一样。以往的研究表明，四边形的光子频率禁带较窄，三角形和石墨六边形结构的光子频率禁带相对较宽。为了获得更广泛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柱来构造二维光子晶体【l⋯，光子晶体光纤和光子晶体波导是二维光子晶体在实际中的应用。三维光子晶体是指在三维空间各个方向上具有光子禁带特性的材料。三维光于晶体存在全方位的光子禁带，即频率落在带隙内的光在任何方向都被禁止传播。这一特性的应用前景十分广阔。1991年美国贝尔通讯研究所的EYablo

3、novitoh小组利用在介电材料上打孔的方法制作了世界上第一个具有完全光子禁带的三维光子晶体，它是由多个面心立方体构成的空间周期性结构，也称为钻石结构。但是三维光予晶体的制备对材料的设计和加工都有很高的要求，制作过程相对来说比较复杂，这使得对三维光子晶体的试验研究受到很大限制。自然界中还存在天然的光子晶体，如蝴蝶翅膀上的粉、做装饰品的蛋白石、海老鼠身上的毛等等，与人工光子晶体相比，其结构租糙，不能形成完全光子禁带，难以满足实际应用需要。§1．13光子晶体的性质光子晶体最根本的性质是光子禁带，由于光子禁带的存在使得许多新的物理性质和现

4、象出现。如光子局域、控制自发辐射；另外还有时间延迟效应，慢光效应、负折射现象、光子压缩态、超折射现象Il”、超强双折射光学现象等。这里我们只对光子禁带、光子局域和控制自发辐射作以介绍。光子晶体正是基于诸多性质【“。。q，向人类展现了广阔的应用前景。(1)光子禁带曲阜师范大学硕士研究生毕业论文光子禁带是光在周期性介质结构的光子晶体中传播时，某些频段的光波被强烈散射后相干相消，不能透过该介质而形成的，图1．2所示。一光子禁带依赖于光子晶体的几何结构和材料的介电常数比值。从结构对称性方面来讲，一般是对称性越差，其能带简并度越低，就越容易出

5、现光子禁带；对于介电常数方面，介电常数的差值越大，越可能出现禁带，并不意味着比值越大，光子禁带越宽，而是有一个峰值1161。光子禁带分为完全光子禁带和不完全光子禁带。完全光子禁带即全方位光子禁带，频率落入禁带范围内的光波在任何方向上都被禁止传播。不完全光子禁带是指空间各个方向上的禁带并不完全重叠，只在特定的方向上有禁带，即频率落入禁带范围内的光波只是在特定的方向上被禁止传播。利用其禁带特性，可以制作多种光学器件，如光子晶体谐振腔㈣、高效反射透镜【181、光子晶体偏振分束器【191等。图1．2光子禁带示意图(2)光子局域无缺陷光子晶体

6、，由于其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。如果在完整的光子晶体中引入缺陷，则其原有的对称性被破坏，在光子禁带中就有可能出现频宽极窄的局域态，与缺陷态频率相同的光子有可能被局域在缺陷位置。处于局域态中的光子，其强度在缺陷态中心处最大，随着距离缺陷态中心位置的增大而迅速衰减。根据光子局域态的形状和特性，缺陷态可以分为点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷相当于微谐振腔，可以将光“俘获”在特定的位置，使得被“俘获”的光子无法向任何方向传播：线缺陷的行为类似于光波导，光只能沿着线缺陷方向传播，线缺陷转折一定的角度时，理论上仍可实现无损耗导光

7、：面缺陷的行为像一个完善的反射镜，可以反射所有入射的光，将光子局域在缺陷平面上。光子局域的首次提出是在1987年，John在研究精心设计的不同介电材料组成的超晶格(即光子晶体)中，发现光子呈现出很强的Anderson局域(4】，1991年实验上首次在二维光子晶体中观察到这种现象【2们，香港科技大学的Zhang[211等成功检测到三维波导网络中的曲阜师范大学硕士研究生毕业论文电磁波的局域化现象。(3)控制自发辐射长期以来人们认为自发辐射过程不可避免的与受激吸收和受激辐射共存，其行为不可控制，直到光子晶体的出现才改变了这一观点。由激光理

8、论知，自发辐射是物质与场相互作用的结果，其几率与光子态密度成正比，因此光子晶体可以控制自发辐射。处于光子晶体中的原子，如果它的自发辐射频率正好落在光子禁带中，由于该频率光子态密度p(缈)为零，所以自发辐射的几率也为零，这样自发辐射【2