一维光子晶体全方向反射器的设计
光子晶体全反射贯穿偏振滤波器的理论研究
ｎｌ
ｎｏ
ｎｌ
ｌ
于该 光 子 晶体 的两侧 都 为 聚 苯 乙烯 ， 此 它 的周 期 数 因 为 Ｎ＋０ ５ Ｎ 为整 数 。又 因 ‰ ＞７ ， 以当光 大 于全 ．， ２所 反射 角入 射该 光 子 晶体 时应该产 生 全反 射现 象 。 Ｅ ３ 中推 出的分层 介质 中光 的传 输 矩 阵 ， １］ 则一 个周 期 的传输 矩 阵为
波 和 ＴＭ 波 的 全 反 射 贯 穿 效 应 随 介 质 光 学 厚 度 和 周 期 数 的 变 化 特 征 ， 明 ： 反 射 贯 穿 峰 的 频 率 随 介 质 光 学 表 全 厚 度 的 增 加 而 减 少 ， 反 射 贯 穿 峰 数 与 周 期 数 相 等 。且 全 反 射 贯 穿效 应 具 有 优 良的 偏 振 滤 波 特 性 ， 用 这 些 特 全 利 性 可 以设 计 出结 构 简 单 、 制 方 便 的 １ 光 子 晶体 的偏 振 滤 波器 。 控 维
ｍ — ｍ２ｍ ｌ １ｍ２ １ ｍ ２ （） １
Ｆｉ １ １ Ｄ ｈ ｏ ｉ ｒ ｓ ａ ｇ． － ｐ ｏｔ ｎ ｃ ｃ ｙ ｔ ｌ
图 １ １ 光 子 晶体 维
为 了研究 光 在大 于全 反射 角入 射该 １ 光子 晶体 时 出现 的 全反 射 贯穿 效 应及 其 偏振 滤 波 特性 ， 用 文 献 维 利
式：一 ｘ ｉ１ ｘ是。 ；一 ｘ ｉ２ ｘ忌 。 。 中扎 ［ ｐ 。 ｍ ［ ｃ ｐ。 ］ ， 一 ｃ ｐ 。 ０ ］ｚ 一 。 ０ ｓ ｉ ｐ ｓ ｉ
＋
一
对 Ｔ 波 有 Ｅ
ｍ
／ 一 ｊ
百
一
１
ｃ Ｓ ； ｏ ｔ Ｙ
Ｃ ｔ； ０ＳＹ
一维光子晶体
一维光子晶体近年来，随着科学技术的飞速发展，一维光子晶体（one-dimensional photonic crystals）技术已经成为广泛受到关注的热门研究课题，正在受到越来越多的学者和科技界人士的瞩目和重视。
一维光子晶体的基本概念是，使用特定的材料和结构，可以实现光子的聚集，形成一维波导结构，从而实现光子的独立传输。
这种能控制光子分布和传播的结构，能够大大提高光子在固体中的传播速率，有效抑制杂散发射，从而提高传播效率。
一维光子晶体的概念可以追溯到上个世纪八十年代中期，当时的重点是尝试利用可调节的结构和材料，以控制非线性和磁场的折射率，实现特殊的光子传输性能。
随后，一维光子晶体的研究重点从非线性转向结构的光子学，以构建能够控制光子速率和光子强度的结构，以及相关的光子晶体结构和有效传播性能研究。
由于一维光子晶体结构具有非常强大的控制能力，它可用于提高光信号的传输速率，并有效抑制杂散发射。
在一维光子晶体中，可以利用介质的折反射率以及结构的传播性能进行控制，从而抑制光子速率的增加、减少散射损失，有效改善光信号的传输效率，并且还可以实现多样化的空间折射和可视效果，有利于电磁波的对比性和透明度。
此外，一维光子晶体也具有潜在的应用前景，例如用于视觉信号处理、光学数据存储和表面增强生物传感。
在视觉信号处理方面，一维光子晶体可以构建出低散射、高传输成像的图像，这比传统的光学系统更加精确、清晰。
在光学数据存储方面，一维光子晶体可以实现数据的高速存储，改善记忆存储效率。
而在生物传感器方面，一维光子晶体技术可以改善光传感的高灵敏度，促使生物传感的进一步发展。
由此可见，一维光子晶体技术具有广阔的应用前景，它可以为我们提供更加有效的光传输、存储和处理效果，为我们提供光源、显示器等设备所需要的更高效率、更加可靠的能源技术，并可能为我们后续的研究提供新的思维方式、新的思路，从而有助于市场技术的更新换代，推动我国光电技术的更快发展。
光子晶体的设计及其应用
光子晶体的设计及其应用光子晶体是一种具有规则微结构的材料，可将其视为具有类似于晶体结构的光学性质而非电学性质的材料，常用于光学器件、光纤、激光器、传感器、通讯等领域。
本文将探讨光子晶体的设计及其应用。
一、光子晶体结构光子晶体的结构是由多个互不同构的介质单元堆积形成，具有各向异性结构。
常见的光子晶体结构有立方晶体、菱形晶体、正交晶体、六角晶体等。
其中，立方晶体是最简单的结构，也是应用最广泛的光子晶体之一。
二、光子晶体的设计光子晶体的制备难度较大，其中设计是最关键的环节。
光子晶体的设计需要考虑多个因素，例如：晶格尺寸、介电常数、形态、层间距、源材料等。
光子晶体的制备需要通过纳米制造技术来实现，一般采用微流控技术、自组装技术、光刻技术等。
光子晶体的设计涉及到材料物理学、光学原理、电磁场理论等多个学科，其复杂性和挑战性也要求设计师有较高的专业素养和经验。
三、光子晶体的应用3.1 光子晶体在光学器件中的应用光子晶体具有高度可控的光学性质，比如透射谱、反射谱、衍射谱等。
这些性质使光子晶体在光学器件中得到广泛的应用。
以群折射光子晶体为例，由于其具有光禁带、高透过性、波导效应等特点，使其在微波器件、天线、光纤通讯等方面具有潜在的应用前景。
另外，光子晶体也常用于光滤波器、光耦合器、光延迟线、可调光衰减器、光调制器等光学器件中，这些器件广泛应用于激光、光通讯、生物医学成像等领域。
3.2 光子晶体在传感器中的应用传感器是指通过物理量（如温度、压力、湿度、光等）与某种感受元件之间的相互作用来检测被测物理量的一种装置。
光子晶体在传感器领域的应用具有前景。
以气敏光子晶体为例，由于其具有高灵敏度、高选择性、高稳定性等特点，可应用于环境检测、化学分析、生物探测等领域。
3.3 光子晶体在激光器中的应用激光器是利用受激辐射原理制造的光源，光子晶体在激光器中应用也比较广泛。
利用光子晶体制造激光器，一方面可以制造出小尺寸、高质量的激光器，另一方面可以制造出宽带、调制速度快的激光器。
光子晶体光学器件设计与制造
光子晶体光学器件设计与制造光子晶体光学器件是一类利用光子晶体结构来控制和操纵光的器件。
光子晶体是一种周期性的介质结构，在微观尺度上具有与晶体相似的周期性结构。
由于这种结构具有尺度大小与光波波长相当的特点，它可以控制光的传播行为，实现对光的各种调控。
在光子晶体光学器件的设计与制造过程中，首先需要进行光子晶体的设计。
光子晶体的设计包括材料的选择、晶体的结构设计以及参数的确定。
根据不同的应用需求，可以选择不同的材料，例如硅、氮化硅、氮化镓等。
根据所需的性能指标，如带隙宽度、传输谱带等进行晶体结构的设计。
可以采用计算机模拟和优化等方法来辅助设计，以实现对光的特定调控。
光子晶体光学器件的制造主要包括两个方面，即制备光子晶体材料和制作光子晶体结构。
制备光子晶体材料需要选择合适的材料，并通过化学气相沉积、物理气相沉积、溶液法等方法来合成。
在制作光子晶体结构的过程中，可以采用光刻技术、电子束曝光、离子束刻蚀等方法，将晶体结构转移到材料中。
另外，还可以利用自组装技术，通过溶液浸渍、干涂覆等方法制备光子晶体结构。
光子晶体光学器件的设计与制造在现代光学领域具有重要的应用价值。
它可以用于设计和制造具有特定波长选择性的光滤光器，实现光的分光调制；还可以用于实现光的光学隔离和光波导，具有较低损耗和较高的光学效率；同时，还可以用于光学传感、激光器的设计与制造等领域。
光子晶体光学器件的应用前景广阔，具有重要的科学研究和工程应用意义。
在光子晶体光学器件的设计和制造过程中，还需要充分考虑其在实际应用中可能遇到的问题和挑战。
例如，光子晶体光学器件在制造过程中可能会遇到材料制备的难题和结构制备的技术难题。
此外，光子晶体光学器件还可能受到温度、湿度等环境因素的影响，对器件的稳定性和可靠性提出了更高的要求。
因此，在设计和制造过程中，需要综合考虑多种因素，确保器件的性能和稳定性。
总之，光子晶体光学器件的设计与制造是一项复杂而精密的工作。
通过光子晶体结构的精确控制，我们可以实现对光的高效调控，满足不同领域的应用需求。
(整理)光子晶体贴片天线.
光子晶体贴片天线在军事方面应用光子晶体的概念图1.1 一维、二维、三维光子晶体示意图[7]图1.2 二维光子晶体波导典型的透射谱图光子晶体贴片天线微带天线是二十世纪七十年代出现的一种新型天线形式，是指在一个薄介质基片上，—面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片，并利用同轴探针或微带线对贴片馈电的一种天线。
将光子晶体巧妙地用在微带天线上，利用光子晶体的特异性能，可以极大地提高其性能。
图1 利用光子晶体做天线的基底，能够将通常浮获在单一介质基底中的能量全部反射到自由空间，大幅度提高天线的辐射效率近年来出现的光子晶体贴片天线能较好地改善以高介电常数介质为基片材料的微带贴片天线的性能。
光子晶体贴片天线是指用运光子晶体材料的禁带特性而制作的天线，通过在贴片天线中人为地引入光子晶体结构，并利用光子晶体的禁带效应，抑制沿底板介质传播的表面波，增加天线藕合到空间的电磁波辐射功率。
对表面波的抑制可以提高天线的效率，从而改善天线的性能。
对于用光子晶体微带天线的雷达系统而一言，这相当于增强了雷达发射机功率，因而可提高雷达探测距离。
高性能反射镜。
频率落在光子带隙中的光子或电磁波不能在光子晶体中传播，因此选择没有吸收的介电材料制成的光子晶体可以反射从任何方向的入射光，反射率几乎为I00%。
这与传统的金属反射镜完全不同。
传统的金属反射镜在很大的频率范围内可以反射光，但在红外和光学波段有较大的吸收。
雷达、导弹、飞行器等的防护罩传统的微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致绝大部分大量的能量被天线基底所吸收，不仅效率很低，而且天线定向性不好，机动性、移动性和易携性差。
而基于光子晶体的新型天线具有传统天线无法达到的独特性质，如提高天线方向性系数、增加天线带宽、消除表面波、减少天线系统尺寸等等，已越来越受到人们的重视。
对电磁(光子)晶体天线的研究国外起步较早，并逐步走向实际应用。
以美国为例，美国宇航局Glenn研究中心主要任务之一是通讯技术的研究与开发，该中心在用与未来太空探索的天线技术中提出小型天线将发挥重要的作用，其中就包括光子晶体天线。
含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的设计
含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的设计罗才秀;谢应茂【摘要】When the electric field intensity is strong enough, nematic liquid crystal can be seen as a kind of uniaxial medium. Based on the electric field controlled characteristics of liquid crystal, the defect mode of one-dimensional phztonic crystal with a liquid crystal defect layer tunable properties was studied by transfer matrix method. The numerical results showed that ： the wavelength of the defect modes moves to the shortwave as the angle θ between the direction of the electric field and prpendicular incident light increases. So photoswitch function can be realized by changing the angle θ.%当电场足够强时，可将向列相液晶看作单轴介质．基于液晶的电场调控特性，通过传输矩阵法数值计算了含一向列相苯乙炔型液晶缺陷层一维光子晶体缺陷模的电场调控特性．数值结果表明，缺陷模波长将随着入射光方向与电场方向间夹角θ的增大向短波方向移动，通过改变夹角θ可实现光开关的功能．【期刊名称】《赣南师范学院学报》【年(卷),期】2012(033)003【总页数】3页(P25-27)【关键词】液晶;光子晶体光开关;缺陷模;传输矩阵法【作者】罗才秀;谢应茂【作者单位】赣南师范学院物理与电子信息学院,江西赣州341000;赣南师范学院物理与电子信息学院,江西赣州341000 赣南师范学院光电子材料与技术研究所,江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】TN713近年来，光开关一直是人们研究的热点[1-5].但是，传统的光开关的结构还不能满足未来通信的需求.光子晶体的提出给光开关的研究带来了新的希望.光子晶体是一种折射率呈周期性排列的人造光学材料，由于存在光子禁带，某些频率范围的光在任意方向上的传播都将被禁止.但如果在光子晶体中引入缺陷,则具有缺陷模频率的光波才可以通过[6].光子晶体光开关是将折射率易受外场调控的智能材料(液晶，特异材料或非线性材料等)作为光子晶体的缺陷，通过外场调控来实现缺陷模的移动从而实现光束在传输过程中的“开”与“关”[7-8].人们已利用光子晶体中智能材料的各种光学效应如非线性光学效应、电光效应、热光效应等实现不同要求的光开关的设计.液晶是很好的光学各向异性材料，而且液晶分子的排列方式对外界环境(如温度、电场磁场等)变化非常敏感.向列相液晶的分子取向会随温度或电场(磁场)的变化而发生改变，液晶材料的折射率也随之变化[9].这确定了液晶成为光开关等器件的材料来源.多年来，已有很多研究者将液晶作为缺陷来设计光子晶体开关.如1996年Shishido等人利用向列相液晶和铁电液晶，用光致变色材料和光敏液晶队列层使液晶产生变化，提出了光开关和图像存储系统[10]；2007年，Hiroyuki等将胆甾型液晶作为缺陷，在紫外线的照射下形成光子晶体的“开”与“关”[11]；2008年，王志怀等将铁电液晶作为缺陷，通过外加电场研究了铁电液晶关开光的特性[12].而关于利用电场方向调控液晶折射率的光子晶体光开关鲜有报道.本文将设计一种含一向列相phenylacetylene型液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关，利用传输矩阵法研究其缺陷模的电场调控特性.1 含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的结构模型含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的结构模型如图1所示.结构为(AB)10C(BA)10，共41层，其中第21层为液晶缺陷层(本文采用向列相phenylacetylene型液晶，其no=1.59,ne=2.223)，其厚度设为68.20 nm.A层为二氧化钛(TiO2)，其折射率nA=2.30，厚度设为68.20 nm；B层为二氧化硅(SiO2)，其折射率nB=1.45，厚度设为50.10 nm.图1 含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的结构模型2 向列相液晶的电控双折射效应图2 向列相液晶的电控双折射效应按照一定的偏振方向入射的光将在液晶中发生双折射现象.向列相液晶在电场作用下，其分子指向矢方向将发生变化.特别地，当外加电场足够强时，所有的向列相液晶分子指向矢的方向都与电场方向相同，如图2所示.这就是电控双折射效应(Electrically Controlled Birefringenee Effect)[13].将液晶作为缺陷引入一维光子晶体中，利用向列相液晶的电控双折射效应实现缺陷模的可调控.液晶的有效折射率neff为(1)其中no是寻常光折射率，ne是非寻常光折射率.θ是垂直入射光方向与电控电场方向间的夹角.3 数值模拟与分析根据式(1)，利用传输矩阵法[14]进行数值模拟，得到了对于不同夹角θ含一向列相phenylacetylene型液晶缺陷层一维光子晶体的透射谱，如图3所示.由图3可知，含一液晶缺陷层一维光子晶体的缺陷模波长将随着夹角θ的增大向短波方向移动.若有某一光波的波长落在其中一个缺陷模波长位置，则该波长的光波可以通过.但当改变垂直入射光与电场方向的夹角θ时，缺陷模波长变化了，因此原波长的光波将不能通过，从而实现了光开关的作用.若取氩离子激光器为信号源，其光波波长为514.5 nm.取入射光波波长为514.5 nm，数值模拟出514.5 nm的光波随夹角θ的变化的透射谱，如图4所示.由图4可知，当夹角θ=45°时，透射率为0.988 6，当44.4°≤θ≤45.4°时，透射率T>0.363 7，光波可以通过；但当θ<44.4°或θ>45.4°时，T<0.363 7，光波将无法通过.这就说明了，如果该开关应用在信号波长514.5 nm的系统中，则可以通过调节入射光方向与电场方向间的夹角θ来控制信号光波能否在器件中传播，从而达到光开关的目的.图3 θ不同时含一液晶缺陷层一维光子晶体的透射谱图4 波长为514.5 nm的光波在不同夹角θ时的透射谱4 结论与讨论本文先建立了含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的理论模型，当电场足够强时，将液晶看作单轴介质，通过传输矩阵法数值模拟了含一液晶缺陷层一维光子晶体缺陷模的电场调控特性.结果表明，随着电场与垂直入射光的夹角的增大缺陷模波长向短波方向移动，这是因为当电场与垂直入射光的夹角θ增大时，液晶的有效折射率减小，那么光波传输的光程差也将减小，为了满足驻波条件，则相应的缺陷模波长也将要变小.通过以波长为514.5 nm的光波为信号光波，理论分析了此光波在不同夹角θ的透射率，说明了含一液晶缺陷层一维光子晶体能很好的实现光开关功能.【相关文献】[1] 缪路平,徐旭明,杨春云,等.一种新型基于光子晶体异质结耦合波导的全光开关的设计[J].量子电子学报,2011,28(3):369-374.[2] 陈率,王春霞,刘宏伟,等.基于光子晶体平板传导共振模的低功率光开关[J].量子电子学报,2011,28(1)：73-81.[3] 殷建玲,黄旭光,刘颂豪,等.液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关[J].物理学报,2006,55(10):5268-5275.[4] 余俊,何赛玲.基于液晶与光子晶体的新型光子学器件[D].杭州:浙江大学, 2008.[5] 冯金顺,何晓东,李公羽,等.光通信窗口的光子晶体光开关特性[J].光通信技术,2007,31(5):24-26.[6] 马锡英.光子晶体原理及应用[M].北京:科学出版社,2010.[7] 邓新华,刘念华.含特异材料的光子晶体光学传输特性研究[D].南昌:南昌大学,2008.[8] 谭春华,黄旭光.硅树脂调制的可调光子晶体[J].光通信研究,2008(1)：59-70.[9] 左左木昭夫,等著，赵静安,等译.液晶电子学基础和应用[M].北京:科学出版社,1985.[10] Shishido A, Tsutsumi, Ikeda T. Liquid crystal photonics：Optical switching and image storage by means of azobenzene liquid-crystal films[C]//In:Shish-ido A.Materials Research Society Symposium-Proceedings. San Francis-co:Materials Research Society,1996,213-224.[11] Hiroyuki Yoshida, Chee Heng Lee, Yusuke Miura，et a1. Optical tuning and switching of photonic defect modes in cholesteric liquid crystals[J].Appl Phys Lett. 2007,90(7)：071107.[12] 王志怀,史建军,邓帆.铁电液晶光开关[J].火力与指挥控制，2008,33(z1):22-26.[13] 于海霞.基于复周期结构光子晶体波长可调谐滤波器的设计与性能分析[D].沈阳:吉林大学,2004.[14] 谢应茂.无序介质激光机理[D].南昌:南昌大学,2007.。
光学原理 光子晶体
• 3. 下图为三角晶格光子晶体的第二个能带波矢空间的等频线图。 （1）标出图中4个红点的波矢量方向（出射方向向外）。 （2）试分别找出下面五个频率中具有正折射率和负折射率的等频率线；
37
第二节
光子晶体
• 7 三维光子晶体 • 8 光子晶体光纤 • 9 光子晶体的加工
1
2
FCC结构的带隙图
3
4
15
弯曲波导
T形分束器
16
窄带滤波器
17
二维光子晶体平板
平板厚度对带隙宽度的影响
18
二维光子晶体平板波导
注意二者的对比！
19
时间色散——慢光效应
20
空间色散——负折射、超棱镜和超透镜
21
光子带隙图的进一步理解！
22
23
24
25
26
27
光子晶体中的负折射
28
29
30
31
89ຫໍສະໝຸດ 10111213
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
一维光子晶体
•
一维光子晶体透 射谱
带隙内的波？
入射角度对能带的影响
25
一维光子晶体对称性与各向异性
26
• N=10
•
N=50
27
28
缺陷模式和表面模式
29
30
表面态
31
32
第二节 光子晶体
作业
1. 正方晶格光子晶体的晶格周期a=500nm，半径r=0.3a （1）试求其第一个带隙对应的实际波长范围； X M （2）试画出分别沿沿着 和 波矢量传播时，实际空间中在光子晶体中的传 播方向； （3）求当入射光沿着上述两个方向入射时，其第一个带隙对应的实际波长范围
1维微波光子晶体频率选择性反射面
ห้องสมุดไป่ตู้
入射 波 的反射 或透 射 系数不 稳 定 ；２ 在高 功率 微 波领 域 ， 打火 、 （） 易 功率 容 量有 限 ； ３ 毫米 波 领 域 ， （） 由于表 面波
进而 可求 得 系统 的散射 矩 阵 为 Ｆ． ｉ １ ｄｌｆｎ ｄ ｅｓｎｌ ａｓ ｉｉ ａ ｉ ｇ Ｍｏ ｅ ｉ ｎｉ ａｔ ｎ ｓｏ ｍ ｔｘ ｅｏｏ ｍ ｏ ｍ ｓｎ ｒ ｒ
图 １ １维传 输矩 阵 模 型
＊
收 稿 日期 ： ０ ９ ０ —０； ２ ０ —７１
率禁 带处 在微 波频 段 （ ０ ３ ０ＭＨｚ ０ ￣３ ０ＧＨｚ 的光 子 晶 体 ， 为微 波 光 子 晶体 （ Ｃ）】 。它在 微 波 天线 方 面 ） 称 ＭＰ ｌ ］ 。 有着 广泛 的应 用 ］ 目前 高功 率微 波技 术 发展 很快 ， 波 光子 晶体 的研 究 和应 用 也 逐 渐被 引入 到 高 功率 微 波 。 微 领域 ６， 型 的应用 就是 频 率 选 择 性表 面 （ Ｓ ） ＿ 典 ｌ Ｆ Ｓ 。频 率 选 择 表 面 是 指 对 电 磁 波 有 滤 波 特 性 的周 期 性 平 面 结
１维 微 波 光 子 晶 体 频 率 选 择 性 反 射 面
杨一明， 袁成卫， 钱宝良
（ 防科 学 技术 大 学 光 电科 学 与工 程 学 院 ， 沙 ４０ ７ ） 国 长 １ ０ ３
摘
要 ： 研 究 了一 种 由多 层 介 质 交 替 排 列 的 １ 微 波光 子 晶 体 ， 用 传 输 矩 阵 法 计 算 和 分 析 了该 结 构 周 维 应
基于光子晶体的光学器件设计与制造
基于光子晶体的光学器件设计与制造一、引言光子晶体是一种具有周期性折射率分布的结构，由于其特殊的光学性质，成为光学器件设计与制造领域的热门研究方向。
本文旨在探讨基于光子晶体的光学器件设计与制造方法，并介绍相关的实际应用。
二、光子晶体基础理论1. 光子晶体的特性光子晶体具有禁带结构、色散性质和布拉格衍射效应等特性。
利用这些特性，可以实现对光的波长、方向和强度的精确控制。
2. 光子晶体的制备方法光子晶体的制备方法主要包括自组装方法、沉积方法和加工方法等。
自组装方法通过控制粒子的尺寸和形状，实现精确的排列和自组装。
沉积方法利用溶液中的粒子在表面上形成自组装结构。
加工方法利用光刻和干涉光刻等技术，将光子晶体的结构制备在光学材料上。
三、光子晶体器件设计1. 光子晶体光纤光子晶体光纤是一种在光子晶体中传输光信号的器件。
通过调节光子晶体中孔隙填充材料的折射率和填充率，可以实现对光信号的控制。
光子晶体光纤具有低损耗、高带宽和高灵活性等优点，在通信和传感领域有广泛应用。
2. 光子晶体激光器光子晶体激光器是一种基于光子晶体结构的激光器。
通过调整光子晶体的结构参数和填充材料的折射率，可以实现对激光输出波长和谐振腔模式的控制。
光子晶体激光器具有高效率、窄线宽和低阈值等特点，广泛应用于光通信、光存储和光医学等领域。
3. 光子晶体太阳能电池光子晶体太阳能电池是一种基于光子晶体结构的太阳能电池。
光子晶体结构可以实现对太阳光的多重散射和强化效果，提高光吸收效率。
光子晶体太阳能电池具有高转换效率和稳定性，有望在太阳能领域取得重要突破。
四、光子晶体器件制造1. 光刻技术光刻技术是一种制备微纳器件的关键技术，可以通过控制光的干涉和折射效应，在光敏的薄膜上形成所需的结构。
光刻技术在光子晶体器件的制造过程中起到关键作用。
2. 离子束刻蚀技术离子束刻蚀技术是一种通过加速离子束对光学材料进行加工的技术。
离子束刻蚀技术具有高加工精度、无热效应和无损伤等特点，适用于制造高质量的光子晶体器件。
一维光子晶体的能带结构研究.
目录摘要.............................................................. I I Abstract.......................................................... I II 前言.............................................................. I V 第一章光子晶体 (1)1.1 光子晶体简介 (1)1.2 光子晶体的结构 (1)1.3 光子晶体的特性 (2)1.3.1 光子晶体具有周期性结构 (2)1.3.2 光子晶体具有光子禁带 (3)1.3.3 光子晶体能抑制自发辐射 (3)1.3.4 光子晶体具有光子局域 (4)第二章一维光子晶体的能带结构研究 (5)2.1 研究一维光子晶体能带的方法 (5)2.1.1 特征矩阵法 (5)2.1.2 平面波展开法 (6)2.2 一维光子晶体的能带结构研究 (8)第三章一维光子晶体的特征 (11)3.1 光子禁带 (11)3.2 光子局域 (12)第四章一维光子晶体光带隙性能的影响因素探讨 (15)4.1 周期数的影响 (15)4.2 折射率比值的影响 (15)4.3 中心波长的影响 (16)第五章结论 (19)参考文献 (20)致谢 (21)一维光子晶体的能带结构研究摘要在当今世界，科学家们在不断研究大规模集成电路时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：传输速度快，没有相互作用。
所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子，即光子晶体。
随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光子的控制。
本论文主要对一维光子晶体的能带、禁带进行深入地研究，这对设计和制备一维光子晶体具有指导意义。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
闽江学院 本科毕业论文(设计)
题 目一维光子晶体全方向反射器的设计 学生姓名 学 号 系 别 年 级 专 业 电子科学与技术 指导教师 职 称 完成日期 2006年5月 1
目 录 文 摘............................................................................................................................2 ABSTRACT..................................................................................................................3 第一章 绪 论..............................................................................................................4 1.1 光子晶体的基本概念............................................................................................ 4 1.2 光子晶体的结构及特性......................................................................................... 5 1.3 光子晶体的应用..................................................................................................... 7 第二章 一维光子晶体的禁带结构及展宽 ...............................................................9 2.1 一维光子晶体的禁带结构..................................................................................... 9 2.1.1 一维光子晶体的特征矩阵............................................................................ 9 2.1.2 光在一维光子晶体中的传播...................................................................... 11 2.1.3 一维光子晶体禁带的特点.......................................................................... 12
2.2 一维光子晶体禁带性能分析............................................................................. 14 2.2.1 光子禁带随周期数及折射率比值的变化.................................................. 14 2.2.2 光子禁带随入射角及偏振状态的变化...................................................... 15
2.3 目前增加禁带宽度的几种方法......................................................................... 19
第三章 全方向反射器的设计与分析 .................................................................... 21 3.1 理论依据—基于频域叠加扩展禁带的方法...................................................... 21 3.2 一维光子晶体全反射器的数值模拟与分析...................................................... 23 3.2.1 正入射时两个一维光子晶体的叠加.......................................................... 23 3.2.2 入射角为45时两个一维光子晶体的叠加 .............................................. 25 3.2.3 入射角为89时两个一维光子晶体的叠加 .............................................. 28 3.2.4 三个一维光子晶体的叠加.......................................................................... 31
总 结......................................................................................................................... 34 致 谢......................................................................................................................... 36 参考文献..................................................................................................................... 37 2
文 摘 本论文从一维光子晶体的结构特点出发，利用光学传输矩阵等方法证明了一维光子晶体存在着反映光子晶体典型特征的光子禁带，在此基础上通过数值模拟计算分析了一维光子晶体禁带随周期数、折射率比值、入射光偏振状态及入射角的演化特点． 本文在分析全方向反射器基本原理的基础上， 通过对一维光子晶体能带的全面分析，提出了一种新的展宽全方向反射带的方法。根据这个方法，我们设计了一个由三个基本一维光子晶体合成的一维结构，得到了较大的全方向反射带。
关键词： 一维光子晶体 光子禁带 全方向反射器 3
ABSTRACT The thesis begins with the structured features and mainly discusses the fundamental optical characteristics of finite-period 1D photonic crystal. The thesis gives the demonstration of existence of PBG in 1D crystal with the method of translation matrix. The features of 1D PBG are analyzed by numerical value simulation.The relation between PBG and the structured parameters is discussed on the basis of the demonstration.In addition,the chanracteristics of the PBG evolution with the polarizations and incidence angles are presented.
In this thesis, the basic theory for the omnidirectional reflection in one-dimensional photonic crystals is analyzed. The factors affecting the band width of omnidrectional band gap have been analyzed in detail. Based on these analyses, a new method for the extension of omnidirectional band gap has been developed. This method greatly improves the band width of onmdirectional band gap.
Keywords: one-dimensional photonic crystals; photonic bandgap; omnidirectional reflector. 4
第一章 绪 论 1.1 光子晶体的基本概念 半个世纪以来,通过控制电子运动而发展起来的半导体技术日趋成熟。,半导体的魔力在于它对电子进行的巧妙控制。晶体所具有的天然的周期性结构，使得电子在晶体中的行为能够得到很好的控制。随着社会的发展，人类对信息的需求量越来越大。为了满足这种不断增长的需求，就需要小型化，集成化，处理速度越来越高的电子器件。但是电子器件尺寸的减小却无法有效地降低能耗，高速的器件对外界的干扰也越来越敏感。人们开始感到电子产业发展的极限性,因此迫切需要新的信息传输载体，从而将目光投向了光子.20世纪90年代,S.John和E.Yablonovitch最先提出了用光子代替电子作为信息载体的光子器件---光子晶体这个新概念.光子晶体是一种折射率按一定周期发生变化的人工微结构材料,具有调制材料中光子传播状态模式的能力. 由于光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格中的运动规律相似，光子晶体也具有光子能带和禁带结构。光子禁带的存在产生了许多崭新的物理性质，这在基础研究和实际应用两方面都具有重要意义。光子晶体可以抑制自发辐射。我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比。处在光子晶体内部的原子，当它自发辐射的光频率恰好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制。类似于半导体中的掺杂，在光子晶体中掺入杂质后将在光子禁带中引入新的电磁波模式，称为杂质态。杂质态具有很大的态密度，这样可以实现自发辐射的增强。这将给激光技术和非线性光学带来全新的应用，如制造零阈值的激光器、光滤波器等。 光子是以光速运动的微观粒子，它的静止质量为零而且具有很好的空间相容性，与电子相比，光子具有速度快、彼此之间不存在干扰的优点，因此以光子作为信息及能量的载体有着巨大的优越性。以光子为载体的光子器件将有比电子器件高得多的运行速度，由于光子间的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高。光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，在光计算中可大大提高信息处理的效率。