光子晶體中的缺陷模特性研究.pdf

1、光子晶體作為一種人工結(jié)構(gòu)材料，未來將在光通信中發(fā)揮極其重要的作用。關(guān)于光子晶體的研究，可以分為實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面，而不論是實(shí)驗(yàn)還是理論，對于光子晶體禁帶和光子晶體缺陷模性質(zhì)的討論都是光子晶體研究的兩個(gè)最主要的內(nèi)容。其中，含有缺陷的光子晶體所產(chǎn)生的缺陷模因?yàn)槠鋺?yīng)用極其廣泛而得到了更多的關(guān)注。就好像在半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)以改善和控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能一樣，在光子晶體中可以以同樣的引入缺陷的方式來改善和控制光子晶體的光傳輸性能。雖然最終的目的是在實(shí)

2、驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)缺陷的有效引入，但是完成這個(gè)夢想的先決條件卻是要有可靠的理論作支持。因此，本論文主要從理論上對含有缺陷的光子晶體所激發(fā)缺陷模隨晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)變化而發(fā)生改變的一些規(guī)律進(jìn)行了討論。因?yàn)橐痪S光子晶體的制作和理論分析都相對簡單，而且很多的結(jié)論對于更高維的光子晶體同樣是有效的，或者對于更高維的光子晶體分析奠定了一定的基礎(chǔ)，所以在本文中主要討論了一維光子晶體中缺陷模的特性。
　　論文主要內(nèi)容有：
　　1由單負(fù)材料和負(fù)折射率材料構(gòu)成

3、的一維光子晶體中能帶和缺陷模特性研究。負(fù)折射率材料是近年來的研究熱點(diǎn)，不僅因?yàn)槠浔旧砭陀泻芏嗟墓鈱W(xué)優(yōu)點(diǎn)（例如形成完美透鏡），而且在光子晶體中引入負(fù)折射率材料后也會(huì)出現(xiàn)很多新的和有用的特性（例如全向帶隙）。關(guān)于含負(fù)折射率材料光子晶體的討論已經(jīng)有很多了，但是關(guān)于由單負(fù)材料和負(fù)折射率材料構(gòu)成的一維光子晶體的研究幾乎沒有。在本論文中，分析了由單負(fù)材料和負(fù)折射率材料構(gòu)成的一維光子晶體能帶和缺陷模特性，并將所得結(jié)果與已有的結(jié)論相對比，發(fā)現(xiàn)在這種新的

4、結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一個(gè)新的特殊帶隙，這個(gè)帶隙同時(shí)具有零平均折射率能隙和零有效相位能隙的特點(diǎn)。而出現(xiàn)在這種新帶隙中的缺陷模則對應(yīng)有非常細(xì)的透射峰，缺陷模對應(yīng)波長隨缺陷層厚度變化而發(fā)生改變的規(guī)律與正常材料晶體中缺陷模變化規(guī)律也完全不同。
　　2缺陷模在光學(xué)傳感方面的應(yīng)用特點(diǎn)研究。不論是禁帶邊緣還是缺陷模位置都會(huì)隨著晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變而發(fā)生變化，可以利用這種變化的規(guī)律有意識的通過觀察缺陷模的變化反推出晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)改變的情況，這就是傳感器原理。

5、在本論文中，通過分析缺陷模隨缺陷層厚度和折射率改變而發(fā)生變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)含有缺陷層的一維三層光子晶體所激發(fā)缺陷模比同樣的完整光子晶體禁帶邊緣對于晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變有著更高的靈敏度。隨后通過分析由單負(fù)材料和負(fù)折射率材料構(gòu)成的一維光子晶體中缺陷模隨缺陷層厚度和折射率改變而發(fā)生變化的規(guī)律發(fā)現(xiàn)，相對于一維三層光子晶體中的缺陷模，由單負(fù)材料和負(fù)折射率材料構(gòu)成的一維光子晶體中缺陷模又有更高的靈敏度。
　　3對含有兩個(gè)非線性缺陷層光子晶體所具有

6、的雙穩(wěn)態(tài)效應(yīng)的分析。非線性光學(xué)相比于線性光學(xué)有很大的差異，例如，非線性材料的折射率可能和光的強(qiáng)度相關(guān)（光學(xué)克爾效應(yīng)），由此導(dǎo)致含非線性材料光子晶體中入射光強(qiáng)和出射光強(qiáng)一般呈非線性關(guān)系（光學(xué)雙穩(wěn)效應(yīng)）。在對于雙穩(wěn)效應(yīng)的討論中，更低的雙穩(wěn)閾值一直是研究的熱點(diǎn)。本論文中，首先分析了含單個(gè)非線性缺陷層光子晶體所對應(yīng)的雙穩(wěn)閾值和晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)情況，其次分析了含有兩個(gè)非線性缺陷層光子晶體所對應(yīng)雙穩(wěn)效應(yīng)與晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。其分析結(jié)果表明

7、，相對于只含一個(gè)非線性缺陷層的情況，總的說來含兩個(gè)非線性缺陷層光子晶體所對應(yīng)的雙穩(wěn)態(tài)確實(shí)有著更低的雙穩(wěn)閾值。另外，含有兩個(gè)非線性缺陷層的光子晶體本身具有非常豐富的雙穩(wěn)效應(yīng)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象，本論文也針對這些不同的雙穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　　4一維光子晶體中慢波結(jié)構(gòu)的分析。慢波結(jié)構(gòu)是近年來的研究熱點(diǎn)，因?yàn)槠湓诠獯鎯?chǔ)，光開關(guān)等方面有著潛在的巨大應(yīng)用價(jià)值。通常利用二維光子晶體中的耦合模波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)慢波結(jié)構(gòu)，事實(shí)上，在一維光子