实现多种通道滤波功能的一维光子晶体缺陷模
第４０卷 第５期 ２０１０年５月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４０。Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２０１０ 文章编号：１００１－５０７８（２０１０）０５－０５３２－０５ ・光学材料器件与薄膜・ 实现多种通道滤波功能的一维光子晶体缺陷模 苏安，李现基 （河池学院物理与电子工程系，广西宜州５４６３００） 摘要：利用传输矩阵法研究一维光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ的缺陷模，结果发现：随 ｎ的增加，Ｂ（ＡＢ）。（ＡＣＢ） （ＡＢ）。Ｂ的透射谱出现与凡值对应的共振缺陷模，具有超窄带多通 道滤波的特性；当ｎ＝１，随着Ｃ层介质光学厚度奇数倍增加，透射谱中出现奇数条共振缺陷 模，具有超窄带奇数通道滤波特性；当ｔｔ＝１，随着ｃ层介质光学厚度偶数倍增加，透射谱中出 现两条共振缺陷模，具有超窄带双通道滤波特性。当ｎ＝１，缺陷模频率处局域电场强度随ｍ 的增加而增强，而随Ｃ层光学厚度奇数倍增加，缺陷模频率处局域电场强度不变，但局域范围 扩大。这些光学传输特性，为研究、设计新型光学器件提供指导。 关键词：光子晶体；缺陷模；滤波；电场分布；传输矩阵 中图分类号：Ｏ４３１ 文献标识码：Ａ Ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚａｂｌｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｈａｎｎｅｌｅｄ ｆｉｌｔｅｒ ＳＵ Ａｎ，ＬＩ Ｘｉａｎ－ｊｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｃｈｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｚｈｏｕ ５４６３００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｏｎｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍａｔｒｉｘ ｍｅｔｈｏｄ，ｆｉｎｄｉｎｇ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｎ，ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ Ｂ（ＡＢ）８（ＡＣＢ） （ＡＢ）８Ｂ ａｐｐｅａｒｓ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ／１，ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ—ｎａｒｒｏｗ ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｗｈｅｎ ｎ ｅｑｕａｌｓ ｔｏ ｏｎｅ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ Ｃ ｌａｙｅｒ ｍｅｄｉｕｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｄｄ ｔｉｍｅｓ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ａｐｐｅａｒｓ ａｌｌ ｏｄｄ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ—ｎａｒｒｏｗ ｏｄｄ—ｃｈａｎｎｅｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｗｈｅｎ ｎ ｅｑｕａｌｓ ｔｏ ｏｎｅ， ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ Ｃ ｌａｙｅｒ ｍｅｄｉｕｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｅｖｅｎ ｔｉｍｅｓ，ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ａｐｐｅａｒｓ ｔｗｏ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ ｔｈａｔ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ—ｎａｒｒｏｗ ｄｏｕｂｌｅ・ｃｈａｎｎｅｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｗｈｅｎ ｎ ｅｑｕａｌｓ ｔｏ ｏｎｅ，ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｍ ｉｎ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ；ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ Ｃ ｌａｙｅｒ ｍｅｄｉｕｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｄｄ ｔｉｍｅｓ，ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｉｓ ｕｎｃｈａｎｇｅｄ ｂｕｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｒｅａ ｉｓ ｅｘｐａｎｄｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ｇｕｉｄａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｎｅｗ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ；ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ；ｆｉｌｔｅｒ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍａｔｒｉｘ １ 引 言 自从２０世纪８０年代末Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ和Ｊｏｈｎ提 出光子晶体的概念 卜 以来，人们对它新异光学特 性产生了浓厚的兴趣，并进行了大量的研究。光子 晶体是一种折射率周期性变化的人工微结构光学材 料，其最基本的特性是存在光子禁带，频率落在禁带 中的电磁波将被禁止传播 。与半导体掺杂相类 基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５０６６１００１）；广西科学基 金项目（桂科自Ｎｏ．０８３２０２９，０９９１０２６）；河池学院科研立项项目 （Ｎｏ．２００８Ａ—ＮＯ０５）资助。 作者简介：苏安（１９７３一），男，副教授，主要从事光子晶体的 研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｕａｎ３２８３３９５＠１６３．ｃｏｎ
收稿日期：２００９—１２—１４ 激光与红外Ｎｏ．５ ２０１０ 苏安等实现多种通道滤波功能的一维光子晶体缺陷模 ５３３ 似，当在光子晶体中引入缺陷后，可使光子局域化， 被高度局域于缺陷处的光子在禁带中表现为局域缺 陷模，这些缺陷模往往具有很高的品质因子，于是利 用掺缺陷的光子晶体可以抑制或增强自发辐 射 ］。光子晶体中缺陷模的这种光学传输特性 对设计和制造高品质的激光器、滤波器和高效激光 二极管等 叫新型光电子器件具有重要的指导意 义。由于缺陷层的折射率、厚度以及位置等可以人 为地控制，则光子禁带中的缺陷模特征亦可人为地 调节。如若缺陷为非线性介质时，光子晶体局域场 可出现很强的非线性光学效应，缺陷层的厚度对光 子晶体的禁带宽度还具有很强的调制作用等 。 因此，研究光子晶体缺陷层的物理性质对光子晶体 局域场的影响，最终影响缺陷模光学传输特性等，对 于含缺陷光子晶体的理论设计和实际应用都有重要 的意义。基于此，本文针对含缺陷一维光子晶体 Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ模型，利用传输矩阵法理 论 ，通过ＭＡＴＬＡＢ软件编程计算模拟其透 射谱（缺陷模）及其电场分布，研究各种结构参数特 别是缺陷层的物理参数对缺陷模及其光子局域场的 影响，并分析讨论缺陷模形成的原因和潜在的应用 等，为掺杂一维光子晶体的实际设计和应用提供 参考。 ２光子晶体模型及结构参数 选定一维光子晶体模型Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ，Ａ与Ｂ为基元介质，Ｃ为掺杂的介质（缺 陷），分别选取Ａ，Ｂ，Ｃ介质层折射率和厚度为：／Ｚ ＝ ２．６，／７， ＝１．４５，ｎｃ＝１．８，ｄＡ＝７４０ ｎｍ，ｄ口＝１３２９ ｎｍ， Ｃ的光学厚度ｄ 为Ａ的光学厚度的倍数（以ａ＝ ｎ ×ｄ 表示Ａ的光学厚度）。以Ａ。表示光子晶体 禁带中心频率 所对应的波长，则本模型和参数对 应的Ａ０＝２（ｎＡｄＡ＋凡日ｄ日）＝７．７０２×１０ ｎｍ， ｏ＝ ２．４４７×１０Ｈ ｒａｄ／ｓ，属于中红外波长范围。ｍ和ｎ分 别是光子晶体ＡＢ和ＡＣＢ的重复周期数。 ３计算模拟结果与分析 ３．１ 随ｎ变化光子晶体的透射模 固定光子晶体（ＡＢ） 重复周期数ｍ＝８，ｄ ＝ １ ａ，其他各参数保持上述值不变，随着含缺陷层光 子晶体（ＡＣＢ） 重复周期数ｎ从１—５增加，计算模 拟得光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ的光子透射 能带谱如图１所示。从图中可知： ＼ （ｃ ／ （ｄ） Ｌ一 Ｊ （ｅ） ８４０ ８５０ ８６０ ８７０ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／ｎｍ （ａ）ｎ＝１（ｂ）ｎ＝２（ｃ）ｎ＝３（ｄ）ｎ＝４（ｅ）ｎ＝５ 图１一维光子晶体Ｂ（ＡＢ）８（ＡＣＢ） （ＡＢ）８Ｂ的透射谱 Ｆｉｇ．１ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｆｏｒ １ Ｄ ＰＣｓ （１）在禁带中心波长８５５ ａｍ附近处周围出现 一套具有规律的共振缺陷模（透射峰），这些缺陷模 的频带超窄且透射率很高，达到１００％，而缺陷模的 条数与光子晶体（ＡＣＢ） 的重复周期数ｎ数值相 等，位置亦随 可调。 究其透射谱形成的原因，可以从光子晶体缺陷 模的角度来分析：当ｔ／，＝１时，光子晶体Ｂ（ＡＢ） ＡＣＢ （ＡＢ）。Ｂ可以看成是Ｂ（ＡＢ） ＡＢ（ＡＢ） Ｂ光子晶体 中间位置插入缺陷层Ｃ而形成的，即在周期性排列 的Ｂ（ＡＢ）。 Ｂ光子晶体第１８，１９层介质之间插入介 质层Ｃ形成缺陷，于是结构模型可看成是含单层缺 陷光子晶体结构Ｂ（ＡＢ）。Ａ Ｉｃ｛Ｂ（ＡＢ） Ｂ。在周期 性排列的光子晶体中引入缺陷层后，光子禁带中将 出现光场的局域现象，即光波被高度限制在缺陷层 处而产生很强的内部电场分布，导致光在缺陷位置 处产生共振隧穿，则与该频率共振的电磁波可通过 光子晶体，这就是共振透射模，即缺陷模 ’挖Ｊ。缺陷 模频率处电磁波强度由于被局域而很高，因此表现 为透射谱中透射率为１００％的超窄共振透射峰。当 ｎ＝２时，光子晶体可看成Ｂ（ＡＢ） Ａ Ｉｃｌ ＢＡ Ｉｃｌ Ｂ （ＡＢ） Ｂ结构模型，则ｃ成为周期性排列中的两层 缺陷，于是在透射谱上出现相应的共振透射峰。凡＝ ３，４，…可依次类推。 也可以从光子晶体量子阱结构理论中共振缺陷 模形成的原因：一维光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＢ） Ｂ可 看成是光量子阱结构两端的垒层，而光子晶体 （ＡＣＢ） 则可看成是光量子阱结构的阱，因此整个 ６ Ｏ １ ５ Ｏ １ ５ Ｏ １ ５ ０ Ｏ ｍ ｍ ｍ 口０一∞∞一■∞寓
ｐ ５３４ 激光与红外 第４ｏ卷 光子晶体模型形成一个光子晶体量子阱结构 Ｂ（ＡＢ） ｌ（ＡＣＢ） ｌ（ＡＢ）。Ｂ。这种情况下电磁波只能 以共振隧穿方式通过光量子阱 ，”’¨Ｊ。这种量子效 应就表现为图中分立而尖锐的透过峰，即与光子晶 体中的缺陷态所对应的缺陷模所对应。 光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ共振缺陷模 的数目和位置可调特性，可用于设计可调性高效多 通道滤波等新型光学器件。 （２）随着中间光子晶体（ＡＣＢ） 周期数ｎ的增 加，光子晶体的禁带也逐渐展宽，其中的缺陷模由禁 带中心的单条，向两边增加成多条结构。 另外，随着缺陷层光子晶体（ＡＣＢ） 周期数ｎ 的增加，共振缺陷模增加的同时，各缺陷模之间的距 离亦逐渐变短，即随着ｎ的增加的缺陷模对光波长 （频率）的反应也愈加灵敏。 ３．２随Ｃ层厚度变化光子晶体的透射模 分别固定光子晶体（ＡＢ） 和（ＡＣＢ） 的重复周 期数ｍ＝８，ｎ＝１，当Ｃ的光学厚度ｄ 从１ ａ增加到 ７ ａ时，光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ）。（ＡＢ） Ｂ的光子透 射能带谱如图２所示。从图中可知：
ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ／Ｉｌｍ （ａ）ｄ。：１ ａ（ｂ）ｄ ＝３ ａ（ｃ）ｄ ＝５ ａ（ｄ）ｄ ＝７ ａ （ｅ）ｄｃ＝２ ａ（ｆ）ｄ ＝４ ａ（ｇ）ｄｃ＝６ ａ（ｈ）ｄｃ；８ ａ 图２ Ｃ层厚度对光子晶体Ｂ（ＡＢ）８（ＡＣＢ）１（ＡＢ）８Ｂ透射谱的影响 Ｆｉｇ．２ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｖｅｎｕｓ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆＣ ｌａｙｅｒ ｆｏｒ Ｂ（ＡＢ）８（ＡＣＢ）ｌ（ＡＢ）８Ｂ ＰＣｓ （１）当缺陷层ｃ的光学厚度按奇数倍１ ａ，３ ａ， ５ ａ，７ ａ增加时，光子晶体的禁带中心波长８５５ ｎｍ 处附近恒定出现单条共振缺陷模，且随着厚度的奇 数倍增加，缺陷模向短波方向微小移动，从ｄ ＝ｌ ａ 的８５５．６ ｒｉｍ波长位置移动到ｄｃ＝７ ａ的８５５．３ ｔｉｍ 波长位置。当ｃ层光学厚度达到７ ａ时，禁带的两 边缘又产生两条共振透射模，且两透射模随着Ｃ层 厚度的继续奇数倍增大而更加尖锐，但禁带中透射 模数目却保持奇数不变。 （２）当缺陷层Ｃ的光学厚度按偶数倍２ ａ，４ ａ， ６ ａ，８ ａ增加时，光子晶体的禁带中则恒定出现两条 共振缺陷模，而且随着厚度的偶数倍增加，缺陷模越 加锋锐，并有向禁带中心靠拢的趋势，即两缺陷模之 间的距离随Ｃ层光学厚度的偶数倍增加而变短，从 ｄ ＝２ ａ时的ＡＡ＝３４．５ ｎｌｎ缩短到ｄ ＝８ ａ时的 ＡＡ＝３４．５ ｎｍ。 可见，通过改变光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ的结构参数ｍ，ｎ和ｄ ，可以调节控制其共 振缺陷模的数量与位置，以及模数的奇偶性等。根 据缺陷模特性，可为设计可调性高效、高灵敏度的单 通道、多通道或是奇、偶数通道光学滤波等器件提供 理论指导，并具有潜在的应用前景。 ４光子晶体的内部电场分布 为了更加清晰地分析缺陷模的形成原因，有必 要进一步计算模拟光子晶体的内部电场分布情况。 ４．１ 随周期数ｍ变化的电场分布 固定（ＡＣＢ） 的重复周期数ｎ＝１，ｄ ：１ ａ，则ｍ 从１～５增加时，计算模拟出光子晶体Ｂ（ＡＢ） （ＡＣＢ） （ＡＢ） Ｂ的内部电场分布如图３所示。
可调谐光子晶体偏振通带滤波器的理论研究
第３７卷 第４期
２００７年４月 激光与红外
ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．３７．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ，２００７
文章编号：１００１－５０７８（２００７）０４－０３６２－０４
可调谐光子晶体偏振通带滤波器的理论研究
刘启能
（重庆工商大学理学院，重庆４０００６７）
摘要：通过对设计出的一维掺杂光子晶体的数值计算和理论分析，得出了ＴＭ波和ＴＥ波缺
陷模随入射角变化的特征以及ＴＭ波缺陷模随杂质光学厚度的变化特征为：ＴＭ波的缺陷模透
射峰在入射角为０一 ／２范围内均存在，而ＴＥ波的缺陷模透射峰只在入射角为０—０．６５ｒａｄ范
围内存在；在一定波长范围内ＴＭ波缺陷模的波长随杂质光学厚度近似呈线性变化。以此为
基础，设计出滤波通道波长的可调范围达２９０ｎｍ、滤波通道半高宽的可调范围在１．５—３ｎｍ、滤
波通道的透射峰值大于０．９８的可调谐一维光子晶体偏振通带滤波器。
关键词：光子晶体；偏振光；缺陷模；可调谐滤波器
中图分类号：０７３４；ＴＮ７１３ 文献标识码：Ａ
Ｔｈｅｏｒｉｅｓ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｆｉｌｔｅｒ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ
ＬＩＵ Ｑｉ—ｎｅｎｇ （Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６７，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈａｔ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｐｉｎｇ ｏｎｅ－・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｒｙｓ－－
ｔａｌ。ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆＴＭ ｗａｖｅ ａｎｄ ＴＥ ｗａｖｅ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｆｒｏｍ ｉｎｃｉｄｅｎｔ￣ｒｇｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆＴＭ ｗａｖｅ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅ ｒｅｓｔｉｌｔｉｎｇ ｆｒｏｍ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔ ｗｅｒｅ ｇｏｔｔｅｎ．Ｔｈｅ ｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅ ｏｆ ＴＭ ｗａｖｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｃｉ—
一维光子晶体的能带结构计算与分析
云南大学硕士学位论文
摘要
光子晶体是一种介电材料周期排列的新型人工带隙材料，电磁波在光子晶体中的传播行为同半导体中的电子相似，会形成带隙，称为光子带隙或光子禁带。光子带隙的存在带来许多新的物理效应和新技术，因而从理论上研究光子晶体的结构与光子禁带的关系是光子晶体研究的重要内容。传输矩阵法是计算一维光子晶体能带结构较为简便有效的方法。本论文基于传输矩阵法编写了一维光子晶体能带结构计算程序，系统研究了由多种不同介质材料构成的一维光子晶体能带特性与光子晶体结构参数的关系，并对有缺陷的一维光子晶体的能带结构进行了计算。主要内容及创新点有以下几个方面：（１）研究了一维光子晶体的禁带宽度及出现的位置随着构成光子晶体的介质材料的折射率、介质层厚度等参数的变化关系。结果表明：当两种介质材料的光学厚度相等时，一维光子晶体的能带结构较其他情况下更为明显、更有规则，在基频的偶数倍频处的禁带消失，只在基频的奇数倍频附近出现禁带，而且光子禁带的宽度和构成光子晶体的两种介质材料折射率的比值（ｎａ饥）成正比，此比值越大，所得到的禁带就越宽。（２）利用自编程序系统研究了一维光子晶体不同缺陷类型的缺陷层折射率、厚度、层数及入射光角度对缺陷模的影响。发现光子晶体中存在缺陷时，缺陷模的出现一般会使带隙加宽且缺陷模对缺陷层的折射率、厚度、缺陷层的数目以及入射光的角度有很大的依赖性。若掺杂缺陷层的光学厚度为某一原介质层Ａ的奇数倍或替代缺陷层为Ａ的偶数倍时，会在基频∞ｏ处出现透射峰；若掺杂缺陷层的光学厚度为Ａ的偶数倍或替代缺陷层为Ａ的奇数倍时，光子禁带内存在双透射峰，它们对称分布在禁带两侧；多层掺杂时，出现的透射峰数目与掺杂层数相等。若光子晶体所有周期均掺杂，则构成一维三元光子晶体，其能带结构显示在基频奇数倍两侧出现两个禁带，而在基频偶数倍处禁带消失。一维三元光子晶体的带隙结构随介质层折射率比、入射角的变化规律与一维二元光子晶体相仿。（３）对由石墨烯和空气层以及石墨烯和硅薄片构成的一维光子晶体进行了比较研究。结果发现，石墨烯与空气层构成的一维光子晶体的ＴＥ模在基频附近有完全禁带，但ＴＭ模不存在完全禁带。由石墨烯及硅薄片构成的一维光子晶体有较宽的禁带，且ＴＥ模和ＴＭ模均在基频附近有一完全禁带，当调整石墨烯及硅介质层的厚度分别为５０ｎｎｌ和２９ｎｎ＇ｌ时，由石墨烯及硅介质层构成的一维光子晶体在３３９ｎｌｉｌ．４３６ｎｎｌ之间有一完全禁带，此禁带刚好处于长波紫外线（ＵＶＡ）的范围，可用于制作防紫外线辐射的光学器材。本论文自编的光子晶体能带计算程序适用于不同结构的一维光子晶体，所得结论对一维光子晶体的设计和制作具有一定指导意义和参考价值。
含一缺陷层一维磁流体光子晶体局域模磁场调控特性研究
２０１３正 第六期 赣南师范学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１３
・光子学与光子技术・
含一缺陷层一维磁流体光子晶体
局域模磁场调控特性研究
郝丽丽 ，谢应茂 ， ＇
（赣南师范学院ａ．物理与电子信息学院．ｂ．光电子材料与技术研究所，江西赣州３４１０００）
摘要：基于磁流体的折射率磁场调控特性，利用传输矩阵法数值模拟了ＴｉＯ：和纳米磁流体（水基Ｆｅ ０ ）作 为基元材料的一维光子晶体局域模的磁场调控特性．结果表明：具有（ＡＢ） ＢＢ（ＡＢ） Ａ结构排列（Ｎ为正整数）的
一维磁流体光子晶体的局域模波长会随着外加磁场强度的增大向短波方向移动，且最大调控量与周期数无关，折 射率ｎ 一定时，局域模波长随着介质层厚度的增大向长波方向移动；局域模的品质因子随光子晶体的周期数、介 质层厚度的增大而增大．当光子晶体周期数一定时，局域模波长的调控量将随着介质层厚度的增大而增大． 关键词：光子晶体；纳米磁流体；传输矩阵法；局域模；品质因子 中图分类号：ＴＮ２０３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—８３３２（２０１３）０６—００２１—０４
１ 引言
光子晶体是一种折射率周期性变化且具有光子禁带 的人造光学材料，而当光子晶体的周期被破坏
时，光子晶体带隙中会产生定域化的缺陷模 ．
磁流体（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｌｕｉｄ）是由纳米级的强磁性粒子（如Ｆｅ Ｏ ）、表面活性剂和载液（或称基液）等混合而
成的一种稳定的胶状液体．由于磁性颗粒的直径通常在８ ｎｍ一１０ ｎｍ左右，所以磁流体也可称为纳米磁流 体．它是一种新型功能性材料，兼有固体材料的物理特性和液体的流动性．纳米磁流体具有双折射效应、线性
二色性、法拉第旋转、法拉第椭圆率和圆二色性等磁光效应．由于磁流体光子晶体的独特的光学性质以及磁
控可调的特性，在新型磁控可调光子器件上具有诱人的应用前景，它引起了国内外相关研究人员的兴趣，并
多信道异质结构光子晶体滤波器
多信道异质结构光子晶体滤波器
李传起;范庆斌;陆叶;罗德俊
【摘 要】利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC),设计了一款由4个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成的多信道下路滤波器.利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)分析了该异质结构滤波器的工作机制,并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离对下路效率的影响.研究表明,滤波器中的异质结反射器可以实现接近100％的反射,从而大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率.设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能,其信道间隔为10 nm,滤波效率均在90％以上,透射谱半高宽均在0.54 nm以下,实现了较高的品质因子特性.该滤波器尺寸只有15.15μm×13.91μm,且滤波效率很高,适于在波分复用系统中进行复用与解复用,在未来光路集成应用中具有良好的应用前景.
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2015(023)008
【总页数】7页(P2171-2177)
【关键词】异质结构光子晶体;时域有限差分(FDTD)法;多信道下路滤波器;微腔
【作 者】李传起;范庆斌;陆叶;罗德俊
【作者单位】广西师范大学电子工程学院光电子与光通信实验室,广西桂林541004;广西师范大学电子工程学院光电子与光通信实验室,广西桂林541004;广西师范大学电子工程学院光电子与光通信实验室,广西桂林541004;广西师范大学电子工程学院光电子与光通信实验室,广西桂林541004 【正文语种】中 文
【中图分类】TN929.1;TN713
1 引 言
光滤波器是波分复用系统（WDM）以及光子集成领域的基本组成单元，用于实现光信号的上下路功能。传统的半导体光滤波器体积较大，不利于光通信日益集成化的发展趋势。1987年，John［1］和Yablonovitch［2］分 别 提 出 了 光 子 晶
体（PC）的概念。由于光子晶体的介电常数呈周期性分布，所以它可控制光子具有类似半导体周期性势场约束电子的特性，其两个最主要的特性就是光子局域和光子禁带（Photonic Band Gap，PBG）。由于具有体积小、损耗低、易集成的特点，因此它已广泛应用于光子晶体光纤［3－4］、光子晶体分束器［5］、光子晶体二极管［6］、以及光子晶体传感器［7］等器件中。在光子晶体滤波器中，三端口侧边耦合下路滤波器方便引入多个微腔，可以实现多通道滤波［8－18］。
光子晶体简介及应用
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光子晶体及其应用的研究
(程立锋 物理电子学)
摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使 光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。
关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介
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在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。
与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。
基于非完整表面缺陷模式的一维光子晶体高分辨率折射率传感器
第３１卷，第２期 ２ ０ １ １年２月 光谱学与光谱分析 Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｖｏ１．３１，Ｎｏ．２，ｐｐＳ６５ ５６９ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１１
基于非完整表面缺陷模式的一维光子晶体高分辨率折射率传感器
闫江周Ｌ ，吴一辉 ，宣 明 ，郝 鹏
１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林长春１３００３３ ２．中国科学院研究生院，北京１０００４９
摘要介绍了一种新型一维光子晶体非完整表面缺陷模式折射率传感器的原理及方法，并构建了高分辨 率、高Ｑ值传感器探测实验系统，利用二甲基砜溶液验证了这种传感器。实验结果表明，该折射率传感器的
灵敏度为３ ０２５ ｎｉｎ・ＲＩＵ～（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ Ｕｎｉｔ），当光谱仪的分辨率为０．０１ ｎＩｎ时，传感器的分辨率为
３．３×１０ ＲＩＵ。该传感器的Ｑ值为２６０，并且在１．４～１．４２范围内具有良好的线性度（线性度为０．９９１ ２７）。
文章分析了传感器Ｑ值与光子晶体周期数及被探测液体厚度之间的关系。理论和实验证明这种全反射型光
子晶体表面波传感器具有与ＳＰＲ相似的无标、实时生物检测的特点且可获得更高的探测灵敏度、Ｑ值和分
辨率。
关键词光子晶体；折射率传感器；表面态；半无限
中图分类号：ＴＰ２１２．３ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—０５９３（２０１１）０２—０５６５—０５
引 言
在化学和生物传感器中，折射率传感器占有重要的地
位，它通过探测折射率的变化来确定化学物质的种类和含
量。折射率传感器的主要类型是光学传感器，这是因为光学
传感器反应快捷、高灵敏度以及操作简便并且不受电磁和环
境干扰。这些优点使光学传感器在生物分子探测、环境分
析、医药开发等领域得到了广泛应用。 目前已商业化的无标记光学生物传感器中，综合效果最
好的是ＳＰＲ（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）传感器［１］。尽管ＳＰＲ
一维光子晶体对微带天线性能的改善
２ｏｏ８年第１０卷第３期 总第９０期 巢湖学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｏｈｕ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｎｏ．３．，Ｖｏ１．１０．２００８ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．９０
一维光子晶体对微带天线性能的改善
刘双兵朱挺挺李民权
（安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽合肥２３００３９）
摘 要：采用传输矩阵理论，分析了带缺陷的一维光子晶体的传输特性，随缺陷层厚度和周
期数变化的情况。并把这种结构应用于微带天线中，通过ＨＦＳＳ软件仿真，结果表明，相比于
普通的微带天线，光子晶体天线的谐振频率有所降低，方向性得到了很大的改善。
关键词：光子晶体；传输矩阵；微带天线
中图分类号：０７３ 文章标识码：Ａ 文章编号：１６７２－２８６８（２００８）０３—００５１—０４
１引言
光子晶体（ＰＢＧ）最初是在光学领域提出的【ｌ】圆，空间介电函数周期性的分布可以使通过该结构中
的光子具有在晶体中电子一样的禁带和导带，呈现出能带结构。近几年来，这种周期性结构在微波频段
的研究已经迅速发展，涉及微波滤波器，放大器，高性能天线，相控阵天线等Ｉ３Ｈ５］。微波光子晶体结构可
以分为一维、二维、三维，其中，一维光子晶体的结构非常的简单，不同介电常数的材料交替排列就可以
构成一维光子晶体，频率处于带隙范围内的电磁波将被被抑制，对于一维光子晶体，我们可以引人一维
平面缺陷来产生缺陷模结构，这里我们首先用传输矩阵法研究了一维光子晶体缺陷的频率特性，并把
这种结构应用于微带天线中，设计出一款高方向性的微带天线。
２传输矩阵法
带缺陷的一维光子晶体是有两种不同介电常数的材料ａ，ｂ交替构成，其厚度分别为ｄ１和ｄ２，为了
达到更好的滤波效果，设中间层是厚度为ｄＯ的缺陷层，如图１所示缺陷层两侧的周期单元数目为Ｎ，
每个周期单元中各介质层电厚度近似为Ａ。／４，缺陷层的厚度 ＝— ×ｍ，该一维光子晶体的结构 ４ｘ／６， 可以表示为（ａｂ）Ｎｄｍ（ｂａ） 。
缺陷光学厚度对对称结构一维光子晶体透射谱的影响
第３ｌ卷第２期 ２０１１年４月 河池学院学报 Ｊ０ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＣＨＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩ Ｉ＇Ｙ Ｖ０１．３ｌ Ｎ０．２ Ａｐｒ．２０１１
缺陷光学厚度对对称结构一维光子晶体透射谱的影响
苏安 ，陆华 ，黄星寿 （河池学院１．物理与电子工程系；２．计算机与信息科学系。广西宜州５４６３００）
［摘要］在Ａ层为双正和双负介质情况下，用传输矩阵法理论研究缺陷层的光学厚度对对称结构一维光 子晶体（ＡＢ） ｃ（ＢＡ） 透射谱的影响，结果发现：在无缺陷情况下，不论Ａ层是双正还是双负介质，禁带中心均出 现超窄频带单透射峰，具有传统对称结构光子晶体透射谱的特征；当中间插入光学厚度等于四分之一中心波长的 双正缺陷ｃ后，两者的单透射峰一分为二，且双负情况下两透射峰之间的距离较大；当缺陷ｃ的光学厚度为二分之 一中心波长时，双正情况下禁带中心出现单透射峰，双负情况下则出现三条透射峰；当缺陷ｃ的光学厚度等于中心 波长时，双正情况下出现三条透射峰，而双负情况下则出现五条透射峰。对称结构光子晶体的透射谱随缺陷光学 厚度变化的规律，可用以设计可调性超窄带滤波器。 ［关键词］ 光子晶体；光学厚度；缺陷；透射谱 ［中图分类号】０４３１ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １６７２—９０２１（２０１１）０２—００１７—０５
［作者简介］ 苏安（１９７３一），男（壮族），广西都安人，河池学院物理与电子工程系副教授，主要研究方向：光 子晶体理论和特性。 ［基金项目］ 广西自然科学基金资助项目（２０１１ＧｘＮＳＦＡＯ１８ｌ４５０９９ｌ０２６）；广西教育厅科研基金资助项目 （２０１０１２ＭＳ２０６，２０１０１０ＬＸ４６２）；河池学院重点科研课题（２０１１ＹＡＺ—Ｎ００１，２０１１ＹＢＺ—ＮＯ０１）。
Ｏ 引言
光子晶体的概念是２０世纪８０年代末Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ和Ｊｏｈｎ提出的＿ｌ Ｊ，它的最根本特性是具有类似于
电子半导体能带结构中的禁带一一光子禁带，频率落在禁带中的光被禁止传播。其独特的光学特性和潜在 的应用前景吸引着越来越多的人进行深入的研究。很多研究结果已经表明，光子晶体将在光滤波器、光学开 关、光波导等光学器件的设计上发挥着重要的作用 Ｊ。
一维液晶缺陷阶梯型Thue-Morse序列光子晶体的电控特性
一维液晶缺陷阶梯型Thue-Morse序列光子晶体的电控特性
廖昆;徐海龙;张小龙
【期刊名称】《萍乡高等专科学校学报》
【年(卷),期】2018(035)006
【摘 要】文章设计了一维向列相液晶缺陷阶梯型Thue-Morse序列第四代光子晶体结构,利用传输矩阵法数值计算该结构的透射谱,并与传统型Thue-Morse序列第四代光子晶体结构的透射谱相比较,最后探究缺陷模及光场分布分别与夹角θ的变化关系.结果表明:一维向列相液晶缺陷阶梯型Thue-Morse序列第四代光子晶体结构的透射谱存在光子禁带.当夹角θ逐渐变大时,缺陷模波长的空间位置发生蓝移,在夹角θ(0°-90°)变化时,缺陷模波长的可控变量为104 nm.在该结构的空间位置z=1720 nm处,光场分布出现局域化;并且随夹角θ的变大,光场强度是一个先增大后减小的变化过程.
【总页数】5页(P29-33)
【作 者】廖昆;徐海龙;张小龙
【作者单位】萍乡学院 机械电子工程学院,江西 萍乡337000;萍乡学院 机械电子工程学院,江西 萍乡337000;萍乡学院 机械电子工程学院,江西 萍乡337000
【正文语种】中 文
【中图分类】O436
【相关文献】 1.含超导材料Thue-Morse序列一维光子晶体传输特性研究 [J], 武继江;纪蒙;谭春鹏;毛保奇
2.含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的设计 [J], 罗才秀;谢应茂
3.一维液晶缺陷阶梯型Thue-Morse序列光子晶体的电控特性 [J], 廖昆;徐海龙;张小龙;
4.含一缺陷层的一维液晶填充光子晶体缺陷模电场和温度调控特性(英文) [J], 殷新星;谢应茂
5.含一液晶缺陷层的一维光子晶体缺陷模的电场调控特性研究 [J], 陈蔚金;谢应茂
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含一液晶缺陷层一维光子晶体电控光开关的设计
２０１２ 第三期 赣南师范学院学报
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇａｎｎａｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｎｏ．３
Ｊｕｎｅ．２０１２
·光子学与光子技术·
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
（赣南师范学院ａ．物理与电子信息学院；ｂ．光电子材料与技术研究所，江西赣州３４１０００）
摘要：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０的增大向短波方向移动，通过改变夹角０可实现光开关的功能．
关键词：液晶；光子晶体光开关；缺陷模；传输矩阵法
中图分类号：ＴＮ７１３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００４—８３３２（２０１２）０３—００２５—０３
近年来，光开关一直是人们研究的热点 ］．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人缺陷，则具有
缺陷模频率的光波才可以通过 Ｊ．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”ｌ卜 ．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 Ｊ．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