一种线性渐变光子晶体结构与性质的研究

摘要

光子晶体是介电常数在三维空间中周期变化的新型功能材料。光子晶体的带隙特性能够弥补电子晶体的众多不足，因此这种材料在众多领域都备受关注。有关光子晶体的理论研究和制备技术已取得了重大突破，一些研究成果也已得到应用。但是，光子晶体在实际应用中还面临着诸多挑战，一些结构的特性还是存在不足之处，不能满足实际工程应用的需求。本论文就是在传统光子晶体研究的基础上进行了一些有益的探索和尝试。
　　本文使用软件中的波导模型，根据有限元分析法对一种线性渐变结构的光子晶体进行比较系统的研究。通过计算模型的S21参数对结构的带隙宽度和禁带特性进行了分析。主要研究内容和结论如下：
　　一、选用传统正四边形点阵结构为模型，由硅和聚乙烯组成的二维光子晶体结构。主要计算了介质柱半径为0.12a、0.15a、0.2a和0.225a的四种结构模型，通过对带隙相对宽度的对比研究发现：在介质柱半径为0.15a附近时相对带隙宽度达到最大，且当介质柱半径在这里有一定的可调范围，带隙相对宽度比较稳定；对于这种结构，介质柱半径和介电常数引起的点缺陷，对带隙特性具有相似的影响。但研究发现，这种结构无论是改变占空比还是介电常数之比，都不能将相对带隙宽度提高到一定的水准，这便减小了它的实用价值，但为我们进一步优化设计奠定了基础。
　　二、为了得到相对带隙宽度大、且性能优越的光子晶体结构，提出了一种在电磁波的传播方向上线性渐变的结构，柱体半径以 r0为基准半径，其两边的柱体半径依次为0rn?r?n?递增或递减。通过与传统的正四边形点阵结构进行对比研究可知：在相同材料配置情况下，该渐变结构可以将光子晶体的相对带隙宽度提高近100％；渐变步长和结构的相对带隙宽度密切相关，当变化步长在0.05附近时相对带隙宽度较大，且有一定的可调范围；在某些变化步长时，带隙中出现了类似于缺陷产生的谐振峰，这与改变了晶体的结构对称性有关。
　　三、针对论文中提出的二维线性渐变结构，改变结构的介电常数之比，选用空气和硅组成的渐变结构进行结论验证。通过研究发现：改变介电常数之比，该渐变结构仍能大幅提高相对带隙宽度，并且具有较强的稳定性。研究结果表明，这种渐变结构对相对带隙宽度的提高具有普遍性，有望在微波、电子元件等领域得到应用。
　　综上所述，本文主要针对二维光子晶体的相对带隙宽度和稳定性进行了计算分析，设计了一种能够大幅度提高二维光子晶体相对带隙宽度的二维渐变结构，并通过计算分析对预期的结果进行了验证。从理论设计到计算分析，研究的内容比较全面的涵盖了光子晶体的基本问题，得到了一些规律性的结果。本研究结果在实际工程应用中具有广泛的应用前景，并对未来光子晶体的研究和设计产生积极影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2光子晶体简介

1.3本文的研究内容

第二章 光子晶体的理论基础

2.1光子晶体的带隙理论

2.2光子晶体的缺陷态特性

2.3光子晶体的变化特性

2.4计算常用软件包

第三章 传统正四边形点阵结构的二维光子晶体

3.1引言

3.2计算方法和模型

3.3结果及讨论

3.4本章小结

第四章 二维线性渐变结构光子晶体

4.1引言

4.2计算方法及模型

4.3结果及讨论

4.4本章小结

第五章 不同介电常数之比的渐变结构

5.1引言

5.2计算方法及模型

5.3结果及讨论

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介