二維光子晶體帶隙結(jié)構(gòu)及色散特性研究.pdf

1、光子晶體是近十幾年來發(fā)展起來的一種新興人工材料，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。光子晶體最基本的特征就是具有光子帶隙(photonic band gap，簡稱PBG)，它提供了一種全新的控制光流的機(jī)理，因此在光通訊和光集成等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。光了晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型光纖，它能夠呈現(xiàn)出許多傳統(tǒng)光纖不具備的特性，其中之一就是在可見光和近紅外波段能夠呈現(xiàn)近零平坦色散，具有這種色散特性的光子晶體光纖有著極大的應(yīng)用前景。 本論

2、文運(yùn)用平面波法和有限時(shí)域差分法，從理論上對(duì)二維光子晶體的帶隙及光子晶體光纖的色散特性進(jìn)行了研究。主要做了以下幾個(gè)方面的理論研究工作： 第一章，介紹了光子晶體的概念、特性及其應(yīng)用研究現(xiàn)狀。詳細(xì)闡述了光子晶體光纖的概念、分類、導(dǎo)光機(jī)理和光子晶體光纖的色散特性。 第二章，采用平面波法，討論了三角形和正方形結(jié)構(gòu)空芯PBG光子晶體光纖帶隙的分布特性。得出空芯PBG光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)空氣導(dǎo)光的條件，要實(shí)現(xiàn)空氣導(dǎo)光，包層空氣孔直徑與包層

3、空氣孔間距的比值d/Λ必須大于某一特定值。分析了在三角形結(jié)構(gòu)空芯PBG光子晶體光纖的包層孔中充入介質(zhì)對(duì)帶隙分布的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：帶隙寬度隨著d/Λ的增大而變寬；隨著包層孔中填充的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)的增大，帶隙寬度減小。在給定的歸一化傳播常數(shù)的條件下，填充率存在一個(gè)最佳值，使帶隙寬度最大。 第三章，將光子晶體光纖的總色散分為波導(dǎo)色散和材料色散兩部分分別計(jì)算，通過調(diào)節(jié)纖芯小空氣孔和第一層空氣孔的直徑，可以設(shè)計(jì)在1350nm～

4、2010nm波長范圍內(nèi)近零的平坦色散光子晶體光纖，其色散變化ΔD<0.5ps/(km·nm)。 第四章，采用平面波法，討論空氣柱截面為圓形和六邊形兩種情況三角形結(jié)構(gòu)二維光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：空氣柱橫截面的形狀也是影響帶隙位置、寬度的一個(gè)因素，包層空氣孔直徑與包層空氣孔間距的比值d/Λ相同，橫截面的形狀不同，其帶隙的位置、寬度也不同。為了獲得大的完全帶隙，可以通過降低格子對(duì)稱性解除簡并來實(shí)現(xiàn)，格子對(duì)稱性的降低一般可以通過在

5、晶體的原胞內(nèi)引入不同半徑的柱子的方法實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)了一種二維旋轉(zhuǎn)復(fù)式晶格光子晶體，利用平面波法計(jì)算其帶隙結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，通過優(yōu)化參量，該結(jié)構(gòu)具有較大的完全光子禁帶。 第五章，設(shè)計(jì)了一種復(fù)式二維光子晶體，結(jié)果表明：這種復(fù)式二維光子晶體的帶隙寬度就是兩種光子晶體帶隙的疊加結(jié)果，從而擴(kuò)展了禁帶寬度。設(shè)計(jì)了一種新的二維光子晶體的缺陷結(jié)構(gòu)，采用時(shí)域有限差分方法(FDTD)，研究了光在含點(diǎn)缺陷和線缺陷的二維光子晶體中的傳輸特性。以該結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，