光子晶體光傳輸特性及其應用的研究.pdf

1、光子晶體是一種能在波長尺寸上控制光子行為的特殊人工結(jié)構(gòu)，被喻為光子學中的半導體，1999年被美國《Science》雜志評為十大科學進展之一。電子基本屬性的限制使得電子器件性能的發(fā)展已經(jīng)接近極限，而光子具有的獨特優(yōu)越性吸引了人們的極大關(guān)注。由于其嶄新的性能和潛在的巨大應用前景，光子晶體已經(jīng)成為國內(nèi)外一個非常重要的研究方向。振幅、頻率和相位是光波的三個重要參數(shù)，人們對光子晶體光波的振幅、頻率特性已進行了深入研究，但對光子晶體的相位特性還很少

2、報道。目前，人們對光子晶體的研究已經(jīng)從早期的光子禁帶和缺陷模特性擴展到光子通帶特性。光子晶體復雜的色散結(jié)構(gòu)使得光子通帶存在眾多奇特的物理特性，從而導致包括自準直(或稱超準直)、負折射、超棱鏡等在內(nèi)的多種反常折射效應。另一方面，電磁波通過亞波長尺寸孔徑的低透射、強衍射特性使得在亞波長尺度上實現(xiàn)光操控存在較大困難，人們一直渴望能夠獲得高透射的定向發(fā)射來改善電磁波的衍射特性。近年來，將光子晶體與定向發(fā)射結(jié)合起來已經(jīng)成為另一個研究熱點。

3、　　 在本文中，我們采用數(shù)值計算和理論分析相結(jié)合的方法，研究了多種二維光子晶體結(jié)構(gòu)的光子通帶傳輸特性，以及耦合缺陷非對稱一維光子晶體結(jié)構(gòu)的反射相位特性，并根據(jù)這些特性設(shè)計了多種光子晶體功能器件，主要的工作及成果包括以下幾個方面：
　　 1.提出了一種低對稱性橢圓介質(zhì)二維光子晶體結(jié)構(gòu)，利用平面波展開法研究了該結(jié)構(gòu)在整個第一布里淵區(qū)的能帶特性，明確給出了該結(jié)構(gòu)中自準直傳播模式的判據(jù)。研究表明自準直模式幾乎覆蓋了TE偏振的整個第四能

4、帶；特別值得注意的是該能帶面上存在兩個橫跨第一布里淵區(qū)的超寬平坦區(qū)域。我們利用超寬平坦區(qū)域的特性實現(xiàn)了帶寬達169 nm的寬頻全角自準直光傳播。此外發(fā)現(xiàn)在以介質(zhì)為背景的反結(jié)構(gòu)的TM偏振也存在類似的結(jié)果。
　　 2.首次將定向發(fā)射的研究推廣到光子晶體通帶領(lǐng)域，根據(jù)波前重構(gòu)理論并結(jié)合表面修飾方法，同時修改入射端、出射端表層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了基于自準直效應的增強透射型定向發(fā)射器。此外，僅通過修改出射端表層結(jié)構(gòu)設(shè)計了Y型、一對三和一對五等多種光

5、分束器件，它們具有高透、緊湊、對稱和便于集成等優(yōu)點。
　　 3.提出了由兩個子光子晶體組成的異質(zhì)結(jié)光子晶體結(jié)構(gòu)，其中第一個子光子晶體起到反射電磁波的作用，另一個可視為具有近零負等效折射率的各向同性介質(zhì)。我們利用近零負折射率實現(xiàn)了高方向性的定向發(fā)射器，其半功率波束角僅為3.48°，極大地改善了定向發(fā)射的光傳播特性。這些結(jié)果在微波天線、定向傳輸和器件耦合等方面有潛在的應用價值。
　　 4.利用傳輸矩陣法研究了耦合缺陷非對稱一