一维光子结构中界面态及通带相位的研究

论文摘要

随着半导体技术的发展,微电子集成技术已经取得飞速发展,而光子有着相比于电子更加高速的信息传递特性,各类光子结构的尺寸使其在集成中更具优势,因此基于光子结构的各类微纳光子器件将对未来全光集成技术的发展具有重要的应用意义。而一维光子结构作为最简单的人工电磁结构,易于制备、更具实用意义。本文利用传输矩阵法,模拟分析了一维层状光子结构的带隙光谱及反射相位,通过两个光子结构的组合研究了在带隙中产生界面态的条件,并计算研究了界面态在带隙内的调控特性,这一研究结果对极窄带滤波片等光路调制元件具有重要的应用意义;另外,将层状光子结构等效为具有Fano共振特征折射率的介质膜层,基于法布里-珀罗（F-P）干涉提出有效介质理论,对层状光子结构通带内的反射相位进行了计算研究,为光子结构的相位调控测量提供了思路和理论指导。主要工作包括以下几方面:1、介绍了光子带隙结构的基本概况,分析了光子能带结构不同的理论研究方法;并重点介绍了一维层状光子结构的制备方法及其典型应用。2、基于介质膜层的传输矩阵,分析了层状光子结构的带隙谱及相位计算方法;分别计算了结构参数相同而对称中心不同的一维反转对称层状光子结构的带隙谱及反射相位;并在此基础上通过两个光子结构的组合,研究了一维反转对称层状结构中产生界面态的条件及规律。结果表明,若两个光子带隙内结构的反射相位和等于零,则其组合结构在相应的频率处出现界面态;对于由两个反转对称层状结构构成的组合结构,其在所有奇数带隙中心处均会产生界面态,而偶数带隙内没有界面态。3、在一维反转对称光子结构的基础上,打破两个层状结构的反转对称性,研究了其组合结构产生界面态的条件。计算表明若两个非对称层状结构在组合界面处的反射相位和等于零,则其组合结构在相应的频率处仍然会出现界面态,而且在所有带隙内都会出现界面态;另外,若连续改变组合交界面处两种介质的膜层厚度,界面态出现的位置在整个带隙内可以实现调控,且具有与其带隙序号相同的调控周期数。4、通过对层状光子结构的能带结构及有效折射率的分析,提出一种具有Fano共振特征的色散关系式对有效折射率进行拟合;并在此基础上将层状光子结构等效为折射率为neff的均匀介质膜层,利用F-P干涉原理拟合分析了结构的反射相位,获得了与传输矩阵法一致的结果,这为光子结构通带内的相位测量提供了思路。

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摘要

abstract

1 前言

1.1 光子晶体

1.1.1 光子晶体的发展

1.1.2 光子晶体的基本特征

1.2 光子晶体的理论研究方法

1.2.1 平面波展开法

1.2.2 有限元法

1.2.3 时域有限差分法

1.2.4 传输矩阵法

1.3 一维层状光子结构的制备方法

1.3.1 电子束蒸镀技术

1.3.2 激光全息光刻技术

1.4 一维层状光子结构的应用

1.4.1 滤光片

1.4.2 一维光子晶体结构色

1.4.3 生物医学中葡萄糖的检测

1.4.4 全光开关

1.5 论文的研究意义和研究内容

2 一维反转对称光子结构产生界面态

2.1 介质膜层的传输矩阵

2.2 一维层状光子结构的带隙谱和相位分析理论

2.3 一维反转对称光子结构产生界面态

2.3.1 一维反转对称光子结构的带隙光谱及反射相位

2.3.2 一维反转对称光子结构组合产生界面态

2.4 小结

3 一维非对称光子结构中界面态的可调控特性

3.1 非对称层状光子结构的理论计算模型

3.2 非对称层状结构产生界面态的条件

3.2.1 Case I组合结构产生界面态

3.2.2 Case II组合结构产生界面态

3.3 界面态的可调控特性

3.4 小结

4 一维光子结构中通带反射相位的研究

4.1 层状光子结构的有效介质理论

4.1.1 层状光子结构的能带

4.1.2 有效折射率

4.1.3 基于F-P干涉的反射相位

4.2 有效介质理论对均匀介质膜层的相位分析

4.3 层状光子结构通带内的反射相位研究

4.4 小结

结论

展望

参考文献

附录1

致谢

攻读学位期间发表学术论文情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 高冬

导师: 王霞

关键词: 传输矩阵,一维光子结构,界面态,调控,有效介质理论

来源: 青岛科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 青岛科技大学

分类号: O572.31

总页数: 72

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一维光子结构中界面态及通带相位的研究

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