时变光子晶体及计算方法

长期以来人们一直致力于折射率空间变化光子晶体的研究,对折射率随时间变化的光子晶体缺少应有的重视。本文建立折射率阶跃型时变光子晶体模型。借助时空对比的方法,基于麦克斯韦方程组和周期结构的布洛赫原理对该时变光子晶体的传输矩阵计算公式进行了推导,并给出计算实例,得到空间频率透射谱和色散关系形成的能带结构。本文为时变光子晶体的研究提供了一种基本方法。     

一维光子晶体的量子透射率

在光的量子波动方程的基础上提出了研究一维光子晶体的量子理论方法,通过在两介质分界面上波函数及其波函数导数连续,即可得到一维光子晶体的量子变换矩阵、量子透射率和量子反射率,分别计算了无缺陷层介质和有缺陷层介质时的量子透射率和量子反射率.把量子理论方法与经典电磁理论方法计算结果进行了比较,发现两者的计算结果是一致的.这说明该量子理论方法也是研究光子晶体的正确方法,该方法还可以进一步研究二维和三维光子晶体的透射特性以及光子晶体的量子Zak相、量子拓扑特性,这些特性包括量子陈数、边缘态和光子的量子霍尔效应等.     

关于自旋波理论中布洛赫解的有效性

关于自旋波理论中久期方程式的布洛赫解的近似程度,吴式枢(1955,1956)曾对线性晶体r=2的情况作过详细的深讨.他得到这样的结论,即自旋波理论的布洛赫解是否可以有效地适用于低温领域也是值得怀疑的.为了了解当r增加时布洛赫解近似程度的变化,我们具体计算了一度晶体r=3的情况.此时对于布洛赫久期方程式倍特所得严格解的形式如下:     

由麦克斯韦方程组推导光子晶体本征方程

光子晶体理论分析中应用最早、最广的一种方法就是平面波展开法。在计算光子晶体光子能带结构时,平面波展开法直接应用了结构的周期性,将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间,将能带计算简化为对代数本征值问题的求解。     

影响一维光子晶体禁带性能的常见因素

运用传输矩阵法理论和MATLAB软件编程计算模拟相结合的方法,以实例说明和分析影响一维光子晶体禁带性能的常见因素,为一维光子晶体研究和设计提供参考.     

准周期光子晶体的传输特性

本文利用数值模拟和实验的方法研究了准晶光子晶体的传输特性和局域特性.能流和态密度的计算结果都表示十二重准晶光子晶体具有光子带隙.但是,和周期性的光子晶体不同,具有确定频率的电磁波局域在无缺陷的十二重准晶光子晶体中.理论分析表明,这种局域模是由准晶光子晶体结构中的无序性和自相似性相互竞争的结果.     

二维正方圆柱光子晶体带隙的FDTD模拟

利用时域有限差分方法研究二维光子晶体传输函数理论,计算了各种情况下二维正方圆柱光子晶体的透射率即光传输函数随频率的变化.计算结果表明,对于一定的入射方向,某些频率的光不能在光子晶体中传播即出现所谓的带隙,带隙的宽度与入射光的偏振、圆柱的折射率、有无缺陷等因素有关.     

一维光子晶体的量子透射特性

用光的量子理论方法研究一维光子晶体的量子透射特性,先给出一维光子晶体的量子转移矩阵和量子透射率,再计算缺陷层数目、厚度及折射率变化对一维光子晶体量子透射特性的影响.结果表明,缺陷层参数的变化对禁带位置、缺陷模位置和强度均产生影响.     

二能级系统光子回波在缀饰态表象中的动态分析

采用布洛赫矢量方法,从量子干涉角度,用缀饰态理论对二能级系统光子回波机理进行了分析,清晰地给出了光与原子相互作用过程的物理描述.探讨了绝热条件下光子回波技术对量子信息存储和信息提取的动态过程.结果表明,二能级跃迁第一个脉冲将信息写入介质,第二个脉冲为信息读出提供条件,让布洛赫矢量的v、w分量反转,此后写入的信息以光子回波的形式再现,即光子回波实质是光信息的写入和读出过程.     

光子晶体的透射特性

首先, 用光的量子波动理论给出一维光子晶体的量子传输矩阵、 量子色散关系、 量子透射率和反射率; 其次, 通过数值计算分别给出一维光子晶体的量子色散关系、 量子透射率和反射率曲线, 并与经典的色散关系、 透射率和反射率进行比较. 结果表明, 其计算结果一致. 该方法可用于进一步研究光子晶体的量子Zak相、 量子陈数和量子边缘态等量子拓扑性质.     

含点缺陷的光子晶体波导传输特性的研究

运用FDTD算法研究了含点缺陷的光子晶体波导的传输特性。首先分析了该波导的传输谱,然后动态模拟了光与波导相互作用的过程。结果表明在光子晶体波导中引入点缺陷有利于对光的控制,从而对光子晶体波导器件的设计有着一定的理论指导作用。     

三角形结构复合二维光子晶体的透射谱

选择3种不同介质柱半径的光子晶体构造复合二维光子晶体,采用时域有限差分方法（FDTD）,计算3种二维光子晶体和复合二维光子晶体的透射谱．结果表明：复合二维光子晶体的禁带宽度近似等于3种光子晶体带隙的叠加结果,结果还表明,随着介质柱半径的增大,光子晶体的带隙向长波方向移动．     

半无限一维光子晶体在满足平均折射率等于零时的表面态

运用传输矩阵方法和Bloch定理，研究了以色散介质为背景，半无限一维光子晶体在满足平均折射率等于零条件下的表面波特性，发现在一定的堆积次序下存在群速度为负的表面态，此时表面波的波矢和能流方向相反，并讨论了该情况下表面态的模式简并情况。     

光子晶体介电常数和波导宽度对负折射现象的频率的影响

为研究光子晶体中的负折射情况,利用时域有限差分法（FDTD）并通过模拟仿真观察了光在左手材料光子晶体中的负折射现象。以硅的圆形介质柱组成的二维六边形排列结构的光子晶体为例,分析了介电常数和波导宽度的变化对负折射现象的频率范围的影响。仿真结果显示：相对介电常数不宜过大,波导宽度根据频率选择的需要可采在0.2~0.5 a范围内选取,从而为制作具有负折射现象的宽带宽光子晶体提供参考。     

一维函数光子晶体的禁带特性理论

提出了一种新型函数光子晶体,其折射率是一个空间位置函数.在费马原理的基础上,利用传输矩阵理论研究了光子晶体介质层的折射率、周期数、入射角等对光子晶体带隙变化的影响.为灵活实现某特定带隙的光子晶体的制备提供了理论依据.     

SiO2/ZnO 三维光子晶体的制备及光学性质

采用垂直沉积法制备了三维SiO2光子晶体模板。以醋酸锌为前躯体,成功制备了SiO2/ZnO三维复合光子晶体。扫描电子显微镜测试结果表明SiO2和SiO2/ZnO光子晶体均为面心立方结构排列。光学测试表明SiO2和SiO2/ZnO周期性阵列均在[111]方向出现了光子带隙。当具有较高折射率的ZnO材料包覆后,SiO2/ZnO 光子晶体[111]方向光子带隙的中心波长发生红移,光子晶体基元材料的有效折射率有所增加。同时,光子晶体的光学性质与样品内部的缺陷态密度密切相关。     

二维六边形晶格光子晶体的带隙研究

运用平面波展开法模拟计算了二维六边形晶格光子晶体的能带结构,得到了使光子带隙最大化的结构参数.分别以不同介质作为本底,由圆柱、正方直柱和六角形直柱空气孔构成的六边形晶格光子晶体都出现了完全光子带隙,为进一步光子晶体的实验制备和应用提供了理论依据.     

二维函数光子晶体不同函数形式对带隙结构的调控

用平面波展开法研究二维函数光子晶体介质柱介电常数不同的线性函数形式对横电(TE)波和横磁(TM)波带结构的影响.数值计算结果表明:二维函数光子晶体比二维常规光子晶体的带隙更宽;通过变换介质柱介电常数不同的线性函数形式可使二维函数光子晶体的带隙个数、位置和宽度均发生变化,从而实现对二维函数光子晶体带隙的调节.     

用转移矩阵方法计算一维光子晶体的禁带结构

该文提出了一种利用转移矩阵来计算一维光子晶体的光子禁带结构的新方法．利用此方法计算了不同介电常量、不同几何结构的晶体的禁带特征，并讨论了掺杂后的一维光子晶体光子禁带的变化情况．     

Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres

Photonic technology, using light instead of electrons as the information carrier, is increasingly replacing electronics in communication and information management systems. Microscopic light manipulation, for this purpose, is achievable through photonic bandgap materials, a special class of photonic crystals in which three-dimensional, periodic dielectric constant variations controllably prohibit electromagnetic propagation throughout a specified frequency band. This can result in the localization of photons, thus providing a mechanism for controlling and inhibiting spontaneous light emission that can be exploited for photonic device fabrication. In fact, carefully engineered line defects could act as waveguides connecting photonic devices in all-optical microchips, and infiltration of the photonic material with suitable liquid crystals might produce photonic bandgap structures (and hence light-flow patterns) fully tunable by an externally applied voltage. However, the realization of this technology requires a strategy for the efficient synthesis of high-quality, large-scale photonic crystals with photonic bandgaps at micrometre and sub-micrometre wavelengths, and with rationally designed line and point defects for optical circuitry. Here we describe single crystals of silicon inverse opal with a complete three-dimensional photonic bandgap centred on 1.46 microm, produced by growing silicon inside the voids of an opal template of dose-packed silica spheres that are connected by small 'necks' formed during sintering, followed by removal of the silica template. The synthesis method is simple and inexpensive, yielding photonic crystals of pure silicon that are easily integrated with existing silicon-based microelectronics.