寬禁帶光子晶體設(shè)計及光子晶體負(fù)折射應(yīng)用.pdf

1、光子作為能量和信號的載體，具有大容量、高速性、低能耗和抗干擾等特點。因此，研究人員設(shè)想希望能夠制造出集成光路來對光子進(jìn)行控制。作為可用于集成光路中的的基礎(chǔ)元器件，光子晶體在此需求下應(yīng)運而生，而且正吸引著越來越多的科研工作者的研究興趣。
　　 光子晶體是光學(xué)介質(zhì)通過周期性排列而成的。因其具有光局域性和光子禁帶等獨特的性質(zhì)而存在潛在的應(yīng)用前景，所以在二十世紀(jì)八十年代末一經(jīng)提出，就得到了研究人員的重視。迄今為止，光子晶體的理論基礎(chǔ)研究

2、已經(jīng)曰趨于完善，而設(shè)計實現(xiàn)特定功能的光子晶體器件則成為研究重點。
　　 在這樣的背景下，論文研究了實現(xiàn)光子晶體寬帶隙的各種技術(shù)和光子晶體中的負(fù)折射效應(yīng)，其主要工作及創(chuàng)新點如下：
　　 1．在蜂窩格子和正方格子二維光子晶體基礎(chǔ)上提出了復(fù)式元胞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)同時包含介質(zhì)柱和介質(zhì)網(wǎng)格。調(diào)查了介質(zhì)柱的形狀，對稱性，大小，導(dǎo)向?qū)δ軒ЫY(jié)構(gòu)的影響。光子晶體材料為砷化鎵，通過參數(shù)優(yōu)化，可以獲得非常大的禁帶寬度。同時發(fā)現(xiàn)了一個區(qū)域，這個區(qū)

3、域內(nèi)，禁帶寬度非常大而且對介質(zhì)柱半徑和網(wǎng)格寬度不怎么敏感。
　　 2．在光子晶體環(huán)形結(jié)構(gòu)中引入了各向異性來實現(xiàn)寬禁帶寬度。這種環(huán)形結(jié)構(gòu)按照三角格子排列且包括介質(zhì)柱和空氣孔結(jié)構(gòu)。光子晶體材料使用鍺，它的尋常軸在光子晶體平面內(nèi)，而異常軸在光子晶體第三維延伸方向。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化可以獲得相當(dāng)大的完全帶隙，而且還發(fā)現(xiàn)了一個群速度非常低的能帶夾在兩段光子禁帶之間的能帶結(jié)構(gòu)，它具有廣泛的用途。同時，研究了混合環(huán)形結(jié)構(gòu)的性能來論證環(huán)形結(jié)構(gòu)對帶

4、隙寬度的提升能力。
　　 3．論文提出并調(diào)查了蜂窩格子排布的漸變折射率光子晶體平板在超透鏡成像方面的性能。利用時域有限差分方法來驗證這種結(jié)構(gòu)的成像功能，并且獲得的像點的半高全寬為不使用漸變折射率層的光子晶體成像像點的62％。速逝波可以傳播到遠(yuǎn)場范圍而不是局限在近場范圍。而且還論證了這種結(jié)構(gòu)對邊界缺陷具有比較好的寬容性。
　　 4．由于高頻分量的損失，以及光子晶體的方向性耦合和低的大角度入射光偶和效率，它的負(fù)折射成像的能力

5、并不足夠。論文提出了使用亞波長金屬光柵來產(chǎn)生承載高頻信息的高級次衍射波，這些高級次的衍射波可以通過光予晶體成像。當(dāng)金屬光柵，可以擬制0級衍射波，增強高級次衍射波到足夠強的時候，可以實現(xiàn)更加精細(xì)的亞波長成像。
　　 5．像的高頻分量可以被超材料或者表面等離子體放大。論文提出了一種類菲涅爾透鏡的帶金屬亞波長孔徑的金屬薄膜上的介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)，使得點源發(fā)出的光線能在金屬薄膜表面激發(fā)表面等離子體，并使之傳播通過金屬孔徑，并被光子晶體平板負(fù)折

6、射成像到遠(yuǎn)場。通過數(shù)值實踐，得到了一個非常精細(xì)的像點。
　　 6．快速啁啾算法是從Z變換算法發(fā)展而來的。算法引入兩次快速傅立葉變換及一個解析高斯核，計算復(fù)雜度低于卷積算法。它可以對菲涅耳衍射和分?jǐn)?shù)傅立葉變換等物理響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)值計算，且在Nyquisttheorem限制下，可以自由的選取信號空間（x空間）及響應(yīng)空間（u空間）的抽樣點數(shù)，因此可以放大數(shù)據(jù)中任何感興趣的部分及查看信號的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但算法在實現(xiàn)過程中存在一些問題，