一维光子晶体光学传输特性的数值研究

【摘要】：光子晶体(photonic crystal)简称为PC，是二十世纪八十年代末出现的新概念，它是继电子半导体开辟电子信息时代以来，最有希望开辟光子信息时代的新材料。光子晶体的光子禁带和光子局域特性决定了光子晶体有望在未来的微光电子器件的集成、光互连、全光通讯等领域占据战略主导地位。因此，对光子晶体特性和应用开发的研究倍受全球科研工作者青睐。现在已在全球卷起了光子晶体的研究热潮。 光子晶体的带隙结构是描述光子晶体的重要性能之一，也是光子晶体应用开发的基础。因此，对光子晶体的带隙结构及其光学传输特性的研究是对光子晶体进行基础性研究的重要内容，对人们认识光子晶体以及应用开发光子晶体都有重要的现实指导意义。 光子晶体根据空间结构不同，我们可以把它划分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。目前，对一维、二维光子晶体研究的相对较多，三维光子晶体由于其结构复杂、理论研究和制作都比较困难，所以当前研究的相对少一些。一维光子晶体鉴于结构简单、计算难度小、制作方便等特点研究的颇多，其范围涉及带隙结构分析、非线性效应、金属光子晶体、微腔辐射、反射镜设计以及在光通讯器件的设计等众多方面。Fink等人提出一维光子晶体同样可以实现全方位带隙，进一步肯定了一维光子晶体的重要性。有人认为，一维光子晶体有可能成为未来的全光通讯的关键材料。本文主要采用光学传输矩阵理论对一维光子晶体的传输特性进行了数值模拟，对一维光子晶体带隙分布特性、介质多元化、缺陷模特性等方面进行了研究。本论文的具体内容如下： 1、简单阐述了光子晶体的概念，介绍了光子晶体的主要特征、应用和近来的发展状况，并且列举了光子晶体的几种常用理论计算方法和制作方法。 2、从麦克斯韦方程出发推出了光子晶体的本征方程，并对用于计算一维光子晶体的传输矩阵进行了推导，进行了计算示例。 3、数值模拟了一维光子晶体带隙宽度随介质折射率之比的变化关系， 曲阜师范大学硕_日断究生论文 第11页 以及保持折射率之比不变折射率大小对带隙的影响。 4、数值模拟了一维光子晶体中介质多元化带来的不同传输特性，并且 考虑了制作误差对多元光子晶休的影响，显示了多元光子晶体的优 势。 5、对一维光子晶体缺陷模进行了数值模拟，对缺陷层厚度为零和非零 情况进行了讨论，并研究了该结构中双模存在条件。