金属光子晶体及器件制备研究

论文摘要

光子晶体是一种介电常数(或折射率)周期性调制的结构，其自发辐射抑制和光子局域化性质使其可以简便而有力地限制和调控光子。它的基本原理是光在介电常数周期性调制的结构中散射和多次干涉，从而形成光子带隙结构，使得某些频率段的光不能通过该结构。利用金属材料可以制作金属光子晶体，例如周期排列的金属柱结构。研究金属光子晶体对光子晶体器件尺寸的缩小和性能的提升等方面有重要作用，这对光子器件的应用和光子器件集成有重要意义。本文用时域有限差分方法对金属光子晶体的带隙结构以及器件的设计等方面进行了研究，得到了如下新的结果：1.对不同材料、不同晶格结构的二维金属光子晶体的带隙特性进行了分析和比较，计算结果表明三角晶格金属光子晶体相对正方晶格具有更宽阔的第一带隙和中心频率更高的第二带隙。2.采用PMMA作背景介质，利用全反射原理抑制二维金属Cu光子晶体表面电磁波的泄漏。通过计算其带隙结构，观察到第三带隙的存在，这在空气背景介质下的金属光子晶体中不存在。3.利用金属Ag材料设计了二维光子晶体波导。对三种二维结构的90°转弯波导的TM波传播特性进行了研究。最终实现了3dB带宽达99nm，目标波长处98.2%的转弯效率。4.在二维金属光子晶体波导中填充液晶实现可调谐，对这种可调波导的光学特性进行了研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 光子晶体简介
• 1.1.1 光子晶体的提出
• 1.1.2 光子的能带
• 1.1.3 光子晶体的制造
• 1.1.4 光子晶体的应用
• 1.2 红外波段二维光子晶体
• 1.3 金属光子晶体
• 1.4 金属光子晶体的研究进展
• 1.5 本论文研究的主要内容和结构安排
• 1.5.1 论文研究的主要内容
• 1.5.2 论文的结构安排
• 第2章 金属光子晶体的带隙结构
• 2.1 数值计算方法
• 2.2 时域有限差分方法的基本原理
• 2.2.1 微商用差商近似
• 2.2.2 Yee 网格体系
• 2.2.3 Maxwell 旋度方程的差分格式
• 2.3 TE 波在自由空间传播的程序实现
• 2.4 二维金属光子晶体的带隙结构
• 2.5 带隙结构验证
• 2.6 一种抑制光子晶体电磁波泄漏方案的提出及其带隙结构
• 2.7 本章小结
• 第3章 二维金属光子晶体弯波导
• 3.1 二维光子晶体波导
• 3.2 光子晶体波导的转弯特性
• 3.3 金属光子晶体弯波导的设计
• 3.4 金属光子晶体弯波导的优化
• 3.5 本章小结
• 第4章 可调谐金属光子晶体
• 4.1 可调谐光子晶体的基本概念
• 4.1.1 压力控制晶体结构参数的变化
• 4.1.2 电场和磁场控制晶体结构参数的变化
• 4.1.3 电光材料
• 4.1.4 液晶材料
• 4.2 填充液晶材料的可调谐光子晶体
• 4.3 可调谐液晶-金属光子晶体波导
• 4.4 光学特性分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 自组装法制作三维光子晶体
• 5.1 自组装法的基本原理
• 5.2 自组装法用于制备金属光子晶体的可行性分析
• 5.3 实验过程
• 5.4 实验结果及分析
• 5.4.1 样品的微观形貌
• 5.4.2 光谱测量结果及带隙特性分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢