光在一维光子晶体中的传输特性研究

【摘要】： 光子晶体(photonic crystals)是一种具有周期性介电常数的介电结构。由折射率的周期性排列的空间维度不同,分为一维,二维和三维光子晶体,其周期性和光的波长为同一个数量级。光子晶体也被称为光子带隙材料(photonic band gap materials)。光子晶体具有很多奇特的性质:光子带隙特性,自辐射的抑制,光子双稳态特性,光子局域特性等。其中最重要的特性就是光子带隙。频率落在光子带隙内的电磁波无法通过光子晶体传播,这为人们设计不同的器件来实现对光的控制提供了可能。由于光子晶体独特的性能和潜在的应用前景,人们对光子晶体的理论分析和实验研究投入了极大的热情,使之成为一个迅速发展的新的科学领域。 为了研究光子晶体的各种特性,首先要在理论上对它的带隙结构和特性进行研究。目前对于光子晶体的数值计算方法主要采用平面波展开法,格林函数法,时域差分法,转移矩阵法,频域迭代法。这些方法都是基于研究复杂电介质结构的Maxwell方程组演变出来的。本文以一维光子晶体为主要研究对象,深入分析了光子晶体的各种特性,主要内容为: 1.本文研究光子晶体的基本概念和光子晶体所用到的基本原理,进一步研究光子晶体的能带结构和电子的能带结构,同时阐述了光子晶体的几种应用。 2.主要运用转移矩阵法及其在光子晶体中的应用。利用此种方法分别对引入了不同的缺陷层的一维光子晶体进行模拟和仿真。 3.阐述了光子晶体的能带理论,进行了数值模拟:理论部分主要介绍转移矩阵法在光子晶体中的应用;数值模拟部分,主要对一维光子晶体进行模拟仿真,仿真计算一维光子晶体的层数,折射率,周期光程等结构特性对一维光子晶体带隙结构的影响。 4.主要分析了在光子晶体中引入缺陷层后对光子晶体的带隙的影响。缺陷层的各种结构特性,缺陷层的数量以及是否为非线性缺陷层都对带隙有重大影响。模拟仿真发现,具有双缺陷层的一维光子晶体的能带结构中,双缺陷模的相距距离,随着折射率的增大有个先增大后减小的变化,即存在一个距离的最大值。这些变化特性为设计出独特的光学器件提供了理论依据。 作为面向新世纪的实现人们对光的控制梦想的新材料,光子晶体的光学特性以及晶体结构设计的研究有非常重要的科学价值和实际应用意义。对于制作简单,易于实现的一维光子晶体必将会被深入研究。光子晶体的研究必将成为新世纪光学领域的一个重要课题。