一维光子晶体带隙结构数值方法的研究

论文摘要

随着科学技术的飞速发展,人类对新能源,新材料的探索不断加深,各种新材料不断涌现,其中最具有划时代潜力的材料之一便是光子晶体。自从1987年Yablonovitch和John提出了光子晶体的概念后,二十多年里光子晶体作为一种能够超越半导体材料的新型材料被人们广泛研究。在制备手段的不断进步背景下光子晶体从最初的简单一维周期性结构向更加复杂的三维周期性结构发展。光子晶体材料和器件在现代光电子领域具有重要的应用价值,激发了对其光学性质进行理论和实验研究的浓厚兴趣。通过对光子晶体的理论计算,揭示出光子在人工周期结构中传播具有与电子能带结构类似的特征,这也是人们看好光子晶体应用前景的原因之一，对光子晶体带隙结构的研究主要有三种计算办法：平面波展开法,传输矩阵法和时域有限差分法。然而,刘于不同方法所产生的结果和差异缺少细致的比较和分析,尤其不易荻得可被实验精确验证的结果。在本工作中，设计了多种模式的周期性一维光子晶体结构,采用传输矩阵法、平面波法和时域有限差分方法,计算和研究子其能带色散关系、透射和反射等光学传输特性,并对基于不同边界条件和机理所导致的计算结果及其差异性起源进行了理论上的细致比较和分析。同时通过实验手段证明了传输矩阵法在计算光子晶体色散关系中的精确性和可靠性,研究结果将有助于人们更深入理解光子在人工周期性结构中的传播特性及其规律,促进应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光子晶体
• 1.2 电子能带与光子能带
• 1.3 光子晶体应用与前景
• 1.4 本文研究意义
• 第二章 光子晶体的理论计算方法
• 2.1 三种光子晶体带隙计算方法
• 2.1.1 平面波展开法
• 2.1.2 传输矩阵法
• 2.1.3 时域有限差分法
• 2.2 三种计算方法的异同
• 第三章 理论模拟光子晶体带隙结构
• 3.1 平面波展开法与传输矩阵法
• 3.1.1 17层光子晶体数值模拟
• 3.1.2 146层光子晶体数值模拟
• 3.2 传输矩阵法与时域有限差分法
• 3.2.1 17层一维光子晶体数值模拟
• 3.2.2 146层一维光子晶体数值模拟
• 3.3 小结
• 第四章 传输矩阵和FDTD方法的实验比较
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验原理
• 4.1.2 实验装置
• 4.2 实验结果
• 4.3 实验结果与理论计算的比较
• 第五章 三种理论方法的讨论与总结
• 5.1 三种方法的讨论
• 5.2 总结
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的文章
• 致谢