一维光子晶体的禁带特性研究

摘要

本论文从理论上研究了一维光子晶体周期层状电介质结构、含金属插层的结构及非周期性结构中的光子禁带和高反带。 首先，在传统传输矩阵的基础上，推导了一维二元光子晶体色散关系原理的具体表达式，应用该色散表达式分析了相对禁带宽度与各个光学参量的关系。结果表明，周期层状光子晶体的相对禁带宽度随折射率比的增加而增大，随光学周期的不同而不变。采用参数调节法讨论了光学厚度比对禁带宽度的影响，计算表明，当两种材料的光学厚度相差不大时，光学厚度比基本不影响相对禁带宽度。通过数值模拟也得到了相同的结论。对不同入射方向的研究还表明，两种偏振状态下相对禁带宽度和入射角有不同的演化关系。 然后，通过数值模拟讨论了在一维Si/SiO<,2>光子晶体中插入金属Al层前后的透射、吸收和反射性能。结果表明，在SiO<,2>层中央插入Al层，能够提高传输衰减，降低长波段吸收率，扩宽高反带。Al层越厚，长波段的吸收率越低，高反带越宽。选用30nm的Al插层在所研究的400-1200nm波段获得了比普通的Si/SiO<,2>结构光子晶体更宽的全角高反带。 最后，在周期性结构中引入了厚度变化。研究发现，在一维介质型光子晶体中，厚度的阶跃变化和无序变化均能出现禁带展宽现象，展宽程度随阶跃度、无序度、周期数及禁带中心频率变化。而在金属一介质型光子晶体中，厚度阶跃变化会增大吸收率，使高反带带宽变窄；厚度无序变化时出现高反带展宽。