光子晶体特性TLM方法模拟

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1、摘要上海交通大学硕士学位论文光子晶体特性TLM方法模拟摘要20世纪的后半期半导体物理几乎在现代技术的每个方面都担当重要的角色但由于电子自身的特性半导体技术的进一步发展在速度容量和空间兼容性方面受到了限制信息业的梦想之一则是由光子替代电子传递信息现代微电子学的基础是电子能带及能隙结构它是电子作为一种波在凝聚态物质中传播的结果大量的实验及理论表明确实存在这样一种材料光子在其中运动会产生光子能带及能隙这类材料就称之为光子晶体由于光子晶体的特点决定了其优越的性能对光学光电子学信息科学产生重要影响在半导体中电子由复杂的标量场描述且相互之间作用很强而在光子晶体中光子由矢量场描述且相互之

2、间作用很弱光子晶体内光子的行为可用MAXWELL方程描述通过对方程的求解可以对其特性进行准确的描述这就决定了在光子晶体的实验研究中数值算法的重要性和计算机的仿真计算和设计功能的重要性作者首次采用传输线矩阵法TransmissionLineMatrixMethod,TLM对光子晶体内部光传输特性进行分析研究在以下方面取得了结果一TLM算法是一种强大的时域电磁场模拟方法本论文在结合i摘要上海交通大学硕士学位论文国内外对TLM方法研究成果的基础上对TLM方法进行了总结推导和整理了TLM算法中的扩展型结点Expanded-Node模型和凝缩型结点Condensed-Node模型的建

3、立过程另外对散射矩阵和连接矩阵概念边界条件的处理电介质材料的模拟以及频率响应问题等等都进行了阐述和总结在对算法充分理解后分别编制成功了扩展型结点和凝缩型结点的模拟程序二论文利用TLM方法中的扩展型结点对一维二维光子晶体分别进行建模分析利用凝缩型结点对三维光子晶体进行建模研究得益于TLM算法的灵活性通用性特点论文在对光子晶体中光传播特性的模拟分析中改变了影响光子晶体禁带特性的各种参数如不同电介质材料光子晶体中空气孔洞的直径大小等等数值模拟分析结果表明TLM方法是一种有效的分析光子晶体特性的数值方法并且观察到了光子禁带光子禁带且受电介质材料空气所占比重等各因素影响另外通过光子晶

4、体中引入缺陷成功观察到了局域态本文首次使用TLM方法对一维二维三维光子晶体分别进行分析得到了很好的数值模拟结果证明TLM方法在光子晶体的建模及数值仿真方面是十分有效的为设计具有完整光子禁带的光子晶体提供了一种很好的选择关键词光子晶体光子禁带局域态传输线矩阵方法扩展型结点凝缩型结点iiABSTRACT上海交通大学硕士学位论文TLMANALYSISOFPROPERTIESINPHOTONICCRYSTALSABSTRACTForthepast50years,semiconductorphysicshasplayedavitalroleinalmosteveryaspectofm

5、oderntechnology.Becauseoftheelectron’sproperties,themoredevelopmentofsemiconductortechnologyislimited.Ithasbeendemonstratedbyboththeoryandexperimentthatsuchaspectralgapcanberealizedinacertainclassofinhomogeneousperiodicdielectricmedia,whicharecalled“photoniccrystals”.Thefunctionofphotonina

6、photoniccrystalissimilartothatofelectroninacondensedmatter.Theabilitytomoldandguidelightleadsnaturallytonovelapplicationsinseveralfields,includingoptoelectronicsandtelecommunications.Electronsaredescribedbyacomplexscalarfieldandstronglyinteractwitheachotherinthesemiconductor,whereasphotons

7、aredescribedbyavectorfieldanddonotinteractwitheachotherinthephotoniccrystal.Intheoryterms,wearebasicallysolvingtheMaxwellequationsforaninhomogeneousandperiodicmedium.Thus,computercalculationsanddesignsplayparticularlyimportantandcomplementaryrolesinexperimenta