金属-介质多层结构中基于复合晶格的光子晶体特性研究

摘要

半导体的研究使得人们可以控制材料电子运动，电子技术得到迅速发展，但是随着电路集成度的不断提高和器件处理速度的飞速发展，电子器件在进一步小型化、降低能耗和提高运行速度等方面变得越来越困难。而光在介电材料里的传输速率很快并且带宽很大，用光子代替电子作为信息载体有望解决这些困难，光子器件也成为了研究的热点。光子晶体可以方便准确地控制光子的运动，作为新型的光学器件受到世界各国的研究机构关注。光子晶体的光子带隙特性、光子局域特性以及光学特性被广泛研究。本文对含有金属层的光子晶体中的电磁波传播以及表面等离子体机制进行了阐述，运用时域有限差分法(FDTD)对基于简单的基本晶格复合形成的两种复合晶格金属光子晶体的传输特性进行了研究。本文主要研究内容以及结论如下:
　　本文研究了由基本的正方形晶格复合而成的金属薄膜复合晶格光子晶体结构，并将复合结构与对应简单结构的光子晶体的传输特性做了比较。分析了晶格类型、孔的尺寸、形状等晶格参数对金属光子晶体结构的光学性能的影响。金属薄膜复合晶格光子晶体相比于简单晶格，透射峰向短波移动，透射率有很大的提高，结构的透射性能得到改善。当结构中含有不同尺寸的圆孔时，会出现两个分离的主透射峰，在双通道通信应用方面有很大的价值。金属薄膜复合晶格光子晶体的透射谱中的超强透射峰主要由小孔与小孔之间的耦合造成，相邻最近的小孔之间形成的耦合引起透射率很强的透射峰，透射峰位置受到晶格类型的影响。另外，由于小孔之间的距离与小孔尺寸相比拟，小孔的形状以及尺寸的变化都会对透射峰位置以及透射率造成影响。当小孔之间距离比小孔尺寸大很多的时候，小孔被等效成一个格点，小孔的尺寸以及形状对透射峰的影响几乎可以忽略。
　　金属薄膜复合晶格光子晶体的吸收谱中的吸收峰主要由表面等离子体以及小孔内的局域表面等离子体形成，相比简单晶格，吸收率有所提高，吸收性能有所改善。
　　本文研究了由基本正方形晶格和正三角形晶格复合而成的金属薄膜A4复合晶格光子晶体结构，并将复合结构与对应简单结构的光子晶体的传输特性做了比较。分析了晶格类型、孔的尺寸、形状等晶格参数对金属光子晶体结构的光学性能的影响。金属薄膜复合晶格光子晶体相比于简单晶格，透射峰位置和透射强度都介于两种对应简单晶格之间。金属薄膜复合晶格光子晶体的吸收谱中吸收峰主要由表面等离子体以及小孔内的局域表面等离子体形成。表面等离子体形成的吸收峰主要由晶格类型以及晶格常数决定，不受小孔参数影响。相比简单晶格，复合晶格的吸收谱具有吸收叠加性，在对应的简单晶格吸收峰位置处也均有吸收峰出现。
　　通过增大孔径可以提高透射率以及调整透射峰位置，但是随着孔径的增大，透射峰位置的变化较小，不能实现大范围调节。而环孔的设计以及改变环孔内径可以大范围调整透射峰位置以及透射率。因此环孔孔型与复式晶格的结合在透射方面的应用具有很大的优势。
　　环孔孔型使得小孔本身的局域表面等离子体极化变得明显，在吸收谱中形成新的吸收峰，随着环孔内径增大，占空率越小的孔局域波越强，吸收峰越明显。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体简介

1．2 金属薄膜光子晶体的国内外研究现状

1．3 论文研究的内容及意义

第二章 金属光子晶体中的表面等离子体效应

2．1 金属中的电磁波

2．1．1 麦克斯韦方程组

2．1．2 电磁波在金属中的传播

2．2 金属-介质界面的表面等离子体

2．2．1 金属-介质界面的波动方程

2．2．2 表面等离子体极化

2．3 本章小结

第三章 时域有限差分法

3．1 光子晶体的数值模拟方法

3．2 时域有限差分法的基本原理

3．3 激励源

3．4 边界条件

3．5 本章小结

第四章 金属-介质结构中同种晶格复合形成的的光子晶体特性

4．1 仿真模型

4．2 晶格类型对光学特性的影响

4．3 孔参数对光学特性的影响

4．3．1 孔尺寸的影响

4．3．2 孔型的影响

4．4 金属-石英结构中复合晶格的光学特性

4．5 本章小结

第五章 金属-介质结构中不同类型晶格复合形成的光子晶体特性

5．1 仿真模型

5．2 晶格类型对光学特性的影响

5．3 孔对光学特性的影响

5．3．1 孔尺寸的影响

5．3．2 孔型的影响

5．4 金属一石英结构中复合晶格光子晶体的光学特性

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介