文档介绍：目 录
0 引言 1
1 二维光子晶体研究进展 2
光子晶体的概念及其特征 2
二维光子晶体的制备 5
微影技术 5
电子束微影 5
原子力显微术微影 6
雷射直写微影 7
斜角沉积 8
光子晶体能带计算的理论方法 11
平面波展开法 11
时域有限差分法 11
传输矩阵法 11
二维光子晶体的应用 11
光子晶体波导 11
光子晶体微谐振腔 12
光子晶体光纤 13
非线性光子晶体器件 14
本论文的主要工作 15
2 光子晶体带隙计算的理论方法 16
引言 16
二维时域有限差分法 16
标准的平面波展开方法 18
3 二维各向同性光子晶体可控光子带隙计算 22
引言 22
三能级 EIT 原理 23
二维椭圆柱长方晶格结构可控光子带隙 28
平面波展开法计算过程 28
结果讨论 32
二维椭圆柱三角晶格结构可控光子带隙 33
平面波展开法计算过程 33
结果讨论 36
4 二维正方晶格各向异性光子晶体缺陷模的计算 37
引言 37
计算缺陷模的 FDTD 方法 37
FDTD 计算结果与讨论 40
5 结论 4 5
参考文献 46
0 引 言
电磁感应透明(ically induced transparency, EIT)介质与光子晶体(Photonic Crystal,PC)是当前光学与材料领域中两种热门的新型人工电磁介质。光子晶体是一个刚刚兴起的研究领域。从1989年到现在的短短的十几年的时间内全世界对光子晶体的研究论文以指数形式上升。它被国际上著名的杂志《Science》评为二十一世纪世界上最热门最活跃的研究领域之一;电磁感应透明是一种量子相干效应。量子相干效应在过去十多年来一直是量子光学与信息技术领域的研究重点之一,其中的效应如碱金属低温原子气中光速减慢技术曾在1999年被多个国家评为当年十大国际科技成就之一,哈佛大学研究组冻结光速的实现则被科技日报评为2003年世界十大科技新闻之一。
光子晶体是周期排列的介质或金属,它能够禁止频率在禁带范围内的电磁波的传播。由于它的这一奇特的物理特性,使得光子晶体在现代光通讯领域有着广泛的潜在的应用前景。目前人们设计大禁带光子晶体的方法主要是针对某个特定结构和折射率固定的材料,通过调整其结构参数得到。由于制作光子晶体材料的折射率不能随意改变,这样就限制了优化光子禁带研究工作的深入。因此,人们希望可以在通过调控光子晶体材料几何参数的基础上,改变光子晶体材料的折射系数,来实现大带隙的光子晶体。近年来,人们对于研究制作可控光子晶体带隙很感兴趣。现在人们已经研究出液晶材料灌注的光子晶体材料,实现了温控以及外置电压,实现介电系数的改变,实现了可控带隙的光子晶体。
本论文一方面应用EIT原理研究了如何利用EIT材料实现介电系数的变化,产生二维各向同性可控光子带隙结构,实现了EIT理论在光子晶体器件中的应用。另一方面又应用光子晶体原理研究了二维各向异性正方晶格光子晶体的缺陷模(TM模)。笔者坚信这两方面的理论研究必将会对设计和制造光通讯器件产生积极作用。
1 二维光子晶体研究进展
光子晶体的概念及其特征
光子晶体是周期排列的介质或金属,它能够禁止频率在禁带范围内的电磁波的传播。由于它的这一奇特的物理特性,使得光子晶体在现代光通讯领域有着广泛的潜在的应用前景。光子晶体概念与相关理论的形成,是由Yablonovitch[1]和John[2]在1987年不约而同的指出, 如果我们在电磁波中制造出具有其波长尺度下周期性排列的介质,则类比于电子的物质波与原子晶格的大小,电磁波在此巨观排列的行为将如电子在晶体中般,被此排列周期、空间结构和介质的介电常数来控制,不需要改变物质的内在化学结构,我们可以在电磁波的波长尺度下设计并制造出我们想要的光的特性,而在光波尺度下这种新的人工晶体即为光子晶体。我们知道半导体晶格对电子波函数的具有调制作用,电子会形成能带结构,带与带之间有带隙(如价带与导带)。而光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。()
一维光子晶体 二维光子晶体 三维光子晶体
图 光子晶体空间结构示意图
7
由于存在周期性,在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构,带与带之间有可能会出现类似于半导体禁带的“光子带隙”(photonic band gap),所