本类论文推荐题名:&基于自主开发和商用RSoft软件的光子晶体模拟研究和器件设计
答辩日期:&2012
学位:&博士
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江斌--基于自主开发和商用RSoft软件的光子晶体模拟研究和器件设计.pdf7590KbAdobe PDF
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江斌.基于自主开发和商用RSoft软件的光子晶体模拟研究和器件设计[博士].北京.中国科学院研究生院.2012
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红外agclbr光子晶体光纤的基本特性研究
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3秒自动关闭窗口基于二氧化钒相变的二维可调带隙光子晶体
二氧化钒(VO_2)是一种具有相变特性的功能性材料,通过加热或载流子注入的方式,VO_2会发生半导体相到金属相的可逆相变,在相变过程中,VO_2的电阻率、光学常数等物理性质会发生突变。基于其相变特性,VO_2被广泛应用于光电探测、光存储、光通信等领域。本文首先研究了VO_2薄膜的制备以及薄膜的性能测试。详细论述了利用反应直流磁控溅射制备VO_2薄膜的工艺方法;利用高分辨率X射线衍射仪(XRD)和高分辨率透射电镜(HRTEM)测试分析出VO_2薄膜的组分及晶格结构。其次,本文依据VO_2在相变前后光学常数发生变化,利用Rsoft7.0软件设计模拟出基于VO_2相变的可调带隙光子晶体。通过软件模拟出VO_2半导体相和金属相的色散曲线;设计出四方结构和六角结构的二维VO_2-空气光子晶体,并分别模拟出在VO_2为半导体相和金属相时的两种结构的光子带隙,通过对光子带隙的分析表明通过VO_2的相变可以对光子晶体的带隙产生明显的调节作用;根&
(本文共70页)
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溶液浓度检测是在造纸、化工、制糖、乳制品、制药等行业中的重要研究内容,近年来,随着产品质量越来越引起社会的普遍关注,如何更好的对产品浓度的痕量进行实时有效的检测受到了来自社会和科学界的极大关注。它是保证产品质量和提高产品质量的重要技术手段。在基础研究、化学分析、污染物检测、诊断学、食品和半导体制造业等领域内,先进的溶液浓度检测仪器的制备和设计是极其重要的环节,为此,本文提出用光子晶体禁带宽度的变化方式测量溶液浓度的新技术。光子晶体的概念于1987年分别由S.John[1]和E.Yablonovich[2]等人提出来。它是不同的介电材料按照某种方式周期性排列构成的一种人工微结构,具有低色散、低损耗等特性。由于介电函数的周期性变化使电磁波在其中的传播受到周期势场的调制,导致某些频率的电磁波在其中的传播被禁止,这些被禁止的频率区间被称为“光子禁带”,也叫光子带隙。利用光子晶体的这种性质,可以制造出具有更多功能的智能材料、化学及生物传感...&
(本文共3页)
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利用传输矩阵法研究了含特异材料的一维超导光子晶体的带隙特性.研究表明,这类超导光子晶体同样具有由传统的电介质材料构成的超导光子晶体一样的低频带隙,且在一定的参数下该低频带隙可以相当宽.但在一定的结构参数下,这类超导光子晶体同完全由传统的电介质构成的光子晶体一样不存在低频带隙.还就超导光子晶体的偏振特性、光子晶体结构参数及环境温度的变化对光子带隙结构的影响进行了研究.1引言光子晶体是指介质的折射率按一定周期发生变化的人工材料.光在这类材料中传播时具有类似于电子在半导体材料中的行为,如在一定频率范围内的光不能在光子晶体中传播(即存在光子带隙),利用光子晶体的这些性质可以有效地控制光的传播.因此,光子晶体被广泛应用于制作各种光学器件.目前,对由传统的电介质材料构成的光子晶体已进行了广泛而深入的研究,而由非传统材料构成的光子晶体的光子带隙特性也已成为研究的热点[112],如铁电材料、液晶材料和折射率为负值的特异材料等也被用于构造光子晶体...&
(本文共7页)
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在现代社会里,随着电子信息技术的高速发展,电子器件的更新速度也在不断加快,随着人们对电子特性的不断深入研究,集成电路芯片的特征尺寸已经达到了极限。此时,光子晶体的优异性能便引起了人们的广泛关注,因为光子晶体是以光子作为信息载体的,而光子间相互作用很弱,这就大大降低了能量的损耗,从而提高了效率,光子的传输信息快,传输带宽(1015HZ),且光子具有更大的容量、更强的抗干扰性能以及更好的保密性。此外,光子晶体可用于制成集成光路而应用于全光通信、光子计算机等光子产业。本文围绕基于平面波展开法对特殊结构的二维光子晶体展开了细致的研究,首先对光子晶体进行了简单的介绍,包括其制备方法、应用、发展历程以及国内外研究现状。随后,在详细介绍了光子晶体能带理论的基础上,又重点分析推导了平面波展开法,为以后几章里对光子晶体带隙的研究提供了扎实的理论基础。本文主要设计了两种特殊结构(“L”介质柱型,扇形介质柱型)下的二维光子晶体,运用平面波展开法分别研...&
(本文共68页)
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光子晶体是20世纪80年代末提出的一种新型光学材料,这种材料具有周期性的结构,光子晶体具有的“光子带隙”和“光子局域”的特性,决定了它具有广阔的应用前景。光子晶体是发展非常迅速的研究领域,近年来,在理论和实验上均已取得不少成果。目前,光子晶体在光通讯和光纤等方面已经取得了突破性的进展。在不久的将来,光子晶体的成果必将对信息通讯业产生重大的影响。时域有限差分方法(FDTD)是一种求解电磁波的数值方法,将电磁场在空间和时间上离散,把麦克斯韦旋度方程转化为差分方程,在时间轴上逐步递推求解。FDTD能够求出任一点在任何时刻的电磁场,又具有很好的稳定性和收敛性,在复杂的工程电磁学领域得到广泛应用。FDTD方法计算量小,结果较为精确,还可模拟电磁场的动态分布,很适合计算光子晶体光子带隙。本文系统的讨论了FDTD方法在计算二维理想光子晶体带隙中的应用,分析了其数值稳定性和数值色散,讨论并选取了激励源的形式和设置方法,也为计算三维光子晶体带隙打...&
(本文共50页)
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拥有宽带全向带隙的光子晶体可以对任意偏振态的光和任何角度的入射都能呈现100%的反射。获得宽带的全向带隙已成为研究人员追求和研究的目标。现有扩展带隙的方法有：增大组成材料的折射率比；利用啁啾变化的折射率或者材料厚度；利用不同厚度混排的光子晶体；利用多个光子晶体形成异质的复合多层周期性结构。本文通过一维光子晶体色散关系表达式,推导出一维二元光子晶体禁带的左右边带以及光子晶体禁带带宽的表达式,得出光子晶体的构造对光子晶体色散的作用。最后针对一维二元光子晶体带隙的扩展,本文提出了两种扩展带隙的方法。(1)对带隙在可见光以及红外光区域,嵌入了金属层的一维三元光子晶体进行了理论上的研究。研究发现该结构的带隙比由两种介质层组成的一维二元光子晶体以及由一种介质层与一种金属层组成的一维二元光子晶体的带隙都要宽。在垂直入射的情况,嵌入一层很薄的金属层带隙明显扩展。斜入射情况下带隙同样被扩展,斜入射的情况TM极化的上边带波长小于TE极化的上边带波长...&
(本文共57页)
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最近好多人问到光子晶体到底有什么性能，或者说到底有什么特殊的性质。尽管我们课题组是做光子晶体的，但是说到具体的概念的时候，因为涉及到太多的术语，所以，不是很好回答。但是，最近几年来，光子晶体在整个科学界是一大热点。
【英】Photonic Crystals
解释1：即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。
解释2：光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在&禁带&。这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与&禁带&的中心频率对应的波一筹莫展可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。微波波段的逞隙常称为电磁带隙（Electromagnetic Band-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。
　光子晶体的制备和理论分析方法
　　光子晶体的制备有一定的难度，因为光子晶体的晶格尺度和光的波长具有相同的数量级，如：对于光通信波段（波长1.55&m），要求光子晶体的晶格在0.5&m左右。近些年来，在人们不断探索和试验的过程中，出现了许多可行的人工制备方法，如：介质棒堆积、精密机械钻孔、胶体颗粒自组织生长、胶体溶液自组织长年和半导体工艺等。用这些方法，通过人工地控制光子晶体中介电材料之间介电常数的配比和光子晶体的微周期性结构，可以制备出带有各种带隙的光子晶体。
　　光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（plane wave expansion method简称：PWM）、传输矩阵法（transfer matrix method简称：TMN）、有限差分时域法（finite difference time domain简称：FDTD）和散射矩阵法（scattering matrix method简称：SMM）等。
　　平面波展开法是比较常用的一种方法，它的基本思想是：将电磁场以平面波的形式展开，可以将麦克斯韦议程组化成一个本征议程，求解该方程的本征值便得到传播的光子的本征频率。这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下根本无法求解。
　　传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式，同样变成本征值求解问题。传输矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效，而且由于传输矩阵小，矩阵元少，运算量小，同时在计算传输光谱时也是十分方便的。但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦，效率不是很高，因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。
　　有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分议程，利用布里渊区边界的周斯条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其中只有少量的一些非零矩阵元，计算最小。但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。
　　散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的场分布。应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的，但是由于这种方法需要较长的运算时间，在有些情形下实际上是不可行的。
　　实际理论分析中，还有很多其他的方法，如：有限元法、N阶法等。这些方法各有优缺点，在应用时要根据实际场合合理地选用。在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的，由于光子晶体的制备非常困难，通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性，再由试验来验证这些结论。
　　光子晶体在光通信中的应用
　　光子晶体的发现，提供了一种全新的控制光子传播的机制。通过光子晶体的带隙以及带隙中的缺陷态可以很方便地禁止或允许一定频率的光子通过。这一特性决定了光子晶体有着广泛的应用潜力，特别是在光通信领域中。Yablonovitch称光子晶体为光的半导体，利用它我们可以制造出光通信中所用到的各种器件：光子晶体光纤、微谐振腔、品质优良的滤波器、集成光路等。
　　（1）光子晶体光纤　光子晶体光纤（photonic crystal fiber简称：PCF）的概念最早由ST.J.Russell等人在1992年提出。它是在石英光纤上规则地排列空气孔，而光纤的纤芯由一个破坏包层周期性的缺陷态构成，这个缺陷态可以是大的空气孔或实心的石英。这样从光纤的端面看，存在周期性的二维光子晶体结构，并且在光纤的中心有缺陷态，光便可以沿着缺陷态在光纤中传输。对于实心的石英缺陷态，如果包层的空气孔的尺度不是太大，并且排列的不是很规则，可能会存在全反射导光的情形。虽然和传统光纤的导光机制一样，但是却具有明显优于传统光纤的特性：
　　*在很宽的频率范围内支持单模传输，通过合理的设计可以支持任何波长光波的单模传输；
　　*光子晶体光纤的纤芯面积可能大于传统光纤纤芯面积的10倍左右，这样就允许较高的入射光功率。光子晶体光纤还具有很多传统光纤没有的特性，如：在大角度处光波的传输几乎没有损耗；具有奇特的色散特性，在波长低于1.3&m可以获得反常色散，同时保持单模传输；改变空气孔的大小和排列而子晶体光纤在未来的光通信领域将有着广阔的应用前景。
　　（2）微谐振腔　传统的谐振腔的制作方法用于制造微谐振腔是相当困难的，而且在光波段传统金属谐振腔的损耗相当大，品质因数很低。采用光子晶体可以制造出品质因数很高的微谐振腔。在一种层堆积的三维光子晶体中引入线缺陷态便可以构造出一个微谐振腔，这种微谐振腔的Q值随着光子晶体的层数的增加而呈指数增长，当光子晶体的层数不是很大时，Q值也可以超过5000。如果用这种微谐振腔作为激光器的谐振腔，使激光器中的自发辐射频率落在光子晶体的禁带范围内，就可以有效降低激光振荡的阈值，从而做出低阈值高效的激光器。利用这个原理同样可以用来制作高效率的发光二极管。
　　（3）品质优良的滤波器　利用光子晶体的带隙特点可以实现对光波优良的滤波性能。光子晶体的滤波带宽可以做得很大，目前能实现从低频（几乎为0Hz）直到红外的宽带滤波。在光子晶体中引入缺陷态能制造一些可以&通过的窗口&，这样频率落在带隙中的一些光可以几乎没有损耗地通过。这一特性可用来制造高品质极窄带的滤波器，对于发展超高密度波分复用光通信技术和超高精度光学信息测量仪器具有重要应用价值。
　　（4）集成光路　将光子晶体用来制作集成光路是人们最给予厚望的。光子晶体中的缺陷态就像电子半导体中的掺杂，使光子晶体具有很多的功能，通过组合这些功能我们可以在光子晶体上构造出适合需求的集成光路。但是最终制作集成光路还必须满足：
　　*能在光波长区域内构造完全的光子禁带；
　　*能够在光子晶体的任意位置引入任意的缺陷态；
　　*可以引入有效的发光元件；
　　*需要具有导电性的晶体。
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