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一维光子晶体的光子带隙、光学双稳态和相位共轭波

2020-11-23阅读(588)

一维光子晶体的光子带隙、光学双稳态和相位共轭波

论文摘要

1987年Yablonovitch和John各自独立提出了光子晶体的概念，它是由传统的晶体概念类比而来的，最根本的特征是具有光子带隙和光子局域。光子晶体是一种微结构光学材料，其尺度与电磁辐射波长具有相同的数量级，它通过对材料折射率的空间周期性调制来实现其光学性质。利用光子晶体的性质可控制光在光子晶体中的流动，实现超小光学器件，如频率滤波器、光学波导、非线性光学开关和低阈值激光器等，工作波长在实验室已经从微波波段推进到可见光波段。光子晶体将成为一种新型器件——光子器件的基础，研究光子晶体的构成及其光学传输性质有着基础物理和材料科学上的重要意义。 一维光子晶体可由两种正折射率介质（称右手系材料Right-Handed Materials，RHM）、或正-负折射率介质（后者称左手系材料Left-Handed Materials，LHM）、或金属-电介质等构成。采用数值计算和理论分析相结合的研究方法，分别对RHM-RHM和RHM-LHM一维光子晶体及（非线性）Bragg腔的光子带隙、光子局域、偏振特性、光学双稳态和相位共轭波进行了研究。发现了RHM-LHM Bragg腔缺陷模频率随缺陷层厚度变化的规律，这不同于RHM-RHM Bragg腔缺陷模的变化规律；提出了用扩展相位图确定RHM-RHM一维光子晶体禁带位置和禁带特征的方法；在禁带中心频率附近对Dowling透射率公式和传输矩阵各矩阵元分别作泰勒级数展开并取一级近似，得到了RHM-RHM一维光子晶体光子禁带中心位置及禁带中心区透射率的解析表达式、RHM-LHM Bragg腔缺陷模频率和品质因子与各介质层厚关系的解析表达式；导出了RHM-RHM非线性Bragg腔中三阶非线性介质产生的相位共轭波增强因子的解析表达式；研究了各种因素对双稳态开关阈值的影响及其作用机理，提出了降低双稳态阈值的途径。数值计算与理论分析结果均一致。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 1 绪论
  • 1.1 问题的提出和意义
  • 1.2 问题的背景及分析
  • 1.2.1 光子晶体研究概况
  • 1.2.2 光子晶体的结构
  • 1.2.3 光子晶体的特征
  • 1.2.3.1 光子带隙
  • 1.2.3.2 光子局域
  • 1.2.3.3 控制自发辐射
  • 1.2.3.4 偏振特性
  • 1.2.3.5 负折射现象
  • 1.2.3.6 非线性性质
  • 1.2.4 光子晶体与电子晶体的比较
  • 1.2.5 光子晶体的理论研究
  • 1.2.5.1 平面波法
  • 1.2.5.2 传输矩阵法
  • 1.2.5.3 Dowling单胞传递矩阵法
  • 1.2.5.4 格林函数法
  • 1.2.5.5 时域有限差分法
  • 1.2.5.6 N-阶法
  • 1.2.5.7 光学双稳态计算方法简介
  • 1.2.6 光子晶体的实验研究
  • 1.2.6.1 机械加工法
  • 1.2.6.2 逐层叠加法
  • 1.2.6.3 微制造技术
  • 1.2.6.4 光学方法
  • 1.2.6.5 反蛋白石法
  • 1.2.6.6 立方平板刻蚀技术
  • 1.2.7 光子晶体的应用
  • 1.2.7.1 光子晶体光纤
  • 1.2.7.2 光子晶体波导
  • 1.2.7.3 低损耗反射镜和超棱镜
  • 1.2.7.4 光子晶体滤波器
  • 1.2.7.5 光子晶体偏振器
  • 1.2.7.6 光子晶体微腔
  • 1.2.7.7 高效发光二极管、低阈值激光器
  • 1.2.7.8 其它应用
  • 1.3 本论文的研究目标和研究内容
  • 1.3.1 研究目标
  • 1.3.2 所用模型
  • 1.3.3 研究内容
  • 1.4 本论文的研究方法和研究步骤
  • 1.4.1 研究方法
  • 1.4.2 研究步骤
  • 1.5 取得的成果及创新点
  • 1.5.1 取得的成果
  • 1.5.2 创新点
  • 2 RHM-RHM一维光子晶体的光子带隙和光子局域
  • 2.1 引言
  • 2.2 周期结构RHM-RHM一维光子晶体的光子带隙和偏振特性
  • 2.2.1 传输矩阵公式
  • 2.2.2 反射率和透射率公式
  • 2.2.3 数值计算与分析
  • 2.2.3.1 不同高低折射率比对透射谱的影响
  • 2.2.3.2 不同光学厚度比对透射谱的影响
  • 2.2.3.3 不同周期数对透射谱的影响
  • 2.2.3.4 不同入射角对透射谱的影响（偏振特性）
  • 2.3 用扩展相位图研究周期结构一维光子晶体的带隙
  • 2.4 用Dowling单胞传递矩阵法研究周期结构一维光子晶体的光子带隙
  • 2.4.1 透射率公式
  • 2.4.2 禁带中心位置
  • 2.4.3 禁带中心区的透射率
  • 2.5 光子晶体带隙的形成机理
  • 2.5.1 光子晶体的色散关系曲线
  • 2.5.1.1 一维光子晶体的色散关系曲线
  • 2.5.1.2 二、三维光子晶体的色散关系曲线
  • 2.5.2 光子晶体中的能量分布
  • 2.5.3 光子晶体带隙的形成机理
  • 2.6 准周期结构一维光子晶体的光子带隙
  • 2.6.1 准周期结构模型
  • 2.6.2 数值模拟计算及分析
  • 2.6.2.1 第一类准周期结构光子晶体的光子带隙
  • 2.6.2.2 第二类准周期结构光子晶体的光子带隙
  • 2.6.2.3 第三类准周期结构光子晶体的光子带隙
  • 2.7 周期结构RHM-RHM Bragg腔的缺陷模和光学增强
  • 2.7.1 Bragg腔模型
  • 2.7.2 Bragg腔的透射谱和缺陷模
  • 2.7.3 Bragg腔的光学增强
  • 2.8 准周期结构RHM-RHM Bragg腔的缺陷模和光学增强
  • 2.8.1 准周期结构Bragg腔模型
  • 2.8.2 Bragg镜准周期性对缺陷模频率和品质因子的影响
  • 2.8.2.1 数值计算
  • 2.8.2.2 理论分析
  • 2.8.3 Bragg镜准周期性对缺陷层内电场强度的影响
  • 2.9 本章小结
  • 3 RHM-RHM非线性Bragg腔的光学双稳态和相位共轭波
  • 3.1 引言
  • 3.2 三阶非线性效应——相位共轭波的研究
  • 3.2.1 非线性光学四波混频的基本理论
  • 3.2.1.1 三阶非线性极化和三阶非线性极化率
  • 3.2.1.2 四波相互作用的耦合波方程
  • 3.2.1.3 三次谐波效应及其相位匹配
  • 3.2.2 四波混频
  • 3.2.2.1 四波混频的一般理论
  • 3.2.2.2 简并四波混频理论
  • 3.2.2.3 光学相位共轭波理论
  • 3.2.3 一维光子晶体Bragg腔相位共轭波的研究
  • 3.2.3.1 一维光子晶体非线性Bragg腔模型
  • 3.2.3.2 相位共轭波的增强因子公式
  • 3.2.4 数值计算与分析
  • 3.2.4.1 Bragg腔内缺陷层中的光强分布
  • 3.2.4.2 Bragg腔可等效于F-P腔
  • 3.2.4.3 相位共轭波振幅增强因子
  • 3.3 三阶非线性效应——光学双稳态的研究
  • 3.3.1 光学双稳态的基本理论
  • 3.3.2 RHM-RHM非线性Bragg腔双稳态的非线性介质传输矩阵算法
  • 3.3.3 RHM-RHM非线性Bragg腔低阈值双稳态的研究
  • 3.3.3.1 Kerr介质非线性系数对双稳态的影响
  • 3.3.3.2 腔模红移对双稳态的影响
  • 3.3.3.3 周期数N对双稳态的影响
  • 3.3.3.4 缺陷层厚度对双稳态的影响
  • 3.3.3.5 两种介质折射率比对双稳态的影响
  • 3.3.3.6 Bragg腔两外侧介质折射率对双稳态的影响
  • 3.3.3.7 Bragg镜准周期性对双稳态的影响
  • 3.3.3.8 高（或低）折射率介质均为非线性介质对双稳态的影响
  • 3.4 本章小结
  • 4 RHM-LHM一维光子晶体的光子局域和光学双稳态
  • 4.1 引言
  • 4.2 RHM-LHM一维光子晶体的光子带隙和偏振特性
  • 4.2.1 光子晶体模型及相关理论
  • 4.2.2 RHM-LHM一维光子晶体的光子带隙
  • 4.2.3 周期数和折射率比对光子带隙的影响
  • 4.2.3.1 周期数的影响
  • 4.2.3.2 折射率比的影响
  • 4.2.4 RHM-LHM一维光子晶体的偏振特性
  • 4.3 RHM-LHM Bragg腔的缺陷模
  • 4.3.1 Bragg腔模型及相关理论
  • 4.3.2 缺陷层厚度对缺陷模频率的影响
  • D关系）'>4.3.2.1 数值计算（ω～dD关系）
  • D关系）'>4.3.2.2 理论分析（ω～dD关系）
  • 4.3.3 各介质层厚的微小变化对缺陷模频率的影响
  • 4.3.3.1 数值计算
  • 4.3.3.2 理论分析
  • 4.3.4 缺陷模品质因子的数值计算与理论分析
  • 4.3.4.1 中心频率处缺陷模的品质因子
  • 4.3.4.2 DLM厚度连续变化时第一施主缺陷模的品质因子
  • 4.3.4.3 不同周期数对缺陷模品质因子的影响
  • 4.3.4.4 各介质层厚的微小变化对缺陷模品质因子的影响
  • 4.3.5 其它因素对缺陷模的影响
  • 4.3.5.1 周期数对缺陷模的影响
  • 4.3.5.2 不同折射率比对缺陷模的影响
  • 4.3.5.3 非对称结构对缺陷模的影响
  • 4.3.5.4 入射角变化对缺陷模的影响
  • 4.3.5.5 负折射率介质色散对缺陷模的影响
  • 4.4 RHM-LHM Bragg腔的光强分布
  • 4.5 RHM-LHM非线性Bragg腔的双稳态
  • 4.5.1 三种非线性Bragg腔模型
  • 4.5.2 三种Bragg腔的光学增强
  • 4.5.3 三种Bragg腔的缺陷模
  • NDM（LR）N Bragg腔双稳态的影响'>4.5.4 腔模红移对（RL）NDM（LR）NBragg腔双稳态的影响
  • 4.5.5 三种非线性Bragg腔的双稳态
  • 4.5.6 对非线性Bragg腔双稳态开关阈值的分析
  • 4.5.7 介质层厚对双稳态的影响
  • 4.5.7.1 缺陷层介质层厚对腔模红移的影响
  • 4.5.7.2 介质层厚改变对双稳态的影响
  • 4.5.8 入射角对双稳态的影响
  • 4.6 本章小结
  • 5 结束语
  • 5.1 工作总结
  • 5.1.1 一维光子晶体的光子带隙特性研究
  • 5.1.2 一维光子晶体Bragg腔的光子局域特性研究
  • 5.1.3 一维光子晶体Bragg腔的光学增强特性研究
  • 5.1.4 一维光子晶体非线性Bragg腔双稳态特性研究
  • 5.1.5 一维光子晶体非线性Bragg腔相位共轭波研究
  • 5.2 取得的成果和创新点
  • 5.2.1 取得的成果
  • 5.2.2 创新点
  • 5.3 本论文的不足
  • 5.4 后继工作展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间发表的论文

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