二维光子晶体中与电磁波偏振态无关的自准直
基于二维光子晶体的偏振器研究
ＴＭ 两 个偏 振模 式 。由 于 二 维 光 子 晶 体 结 构 的 各 与 电子相 比， 子 具 有 运 动 速 度 快 ， 够 实 现 向异性 和 电磁场 的矢量 性 ， 光 能 ＴＥ和 Ｔ 模 式光 子 能 Ｍ 并行 处理 和交叉 通过 等优 势 ， 用光 子代 替 电子来 传 带 的结 构不 同 ， 子 禁 带 的 宽度 、 度 及 中心 频 率 光 深 输 和处 理 信 息 已经成 为 当前信 息 技 术 发 展 的重 要 的位置 也不 同 。如 果 ＴＥ和 ＴＭ 模 式 光 子 禁 带 的
收 稿 日期 ： ０ ６ １ — Ｏ ２ ０ — ０２
器使 用 。
基 金 项 目 ： 京 印刷 学 院青 年 基 金 资 助 项 目（０ ０ ０ ８ 北 ６００３ ）
本 文 中所 研 究 的 二 维 光 子 晶体 的 结 构 如 图 １
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第 ２期
张 春 梅 ， 福 平 ： 于 二 维 光 子 晶 体 的 偏 振 器 研 究 刘 基
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二维光子晶体滤波器的研究
二维光子晶体滤波器的研究1. 二维光子晶体的制备与结构特性二维光子晶体是一种具有周期性结构的光学材料，其平面上的周期性结构可以由周期性的孔洞或柱状结构组成。
在光子晶体中，介电常数的周期性分布会导致特定波长的光在其中传播时发生布拉格衍射，从而产生光子禁带。
二维光子晶体与三维光子晶体相比，具有制备工艺简单、易于加工和尺寸较小的优势，因此在光子晶体滤波器等光学器件中有着广泛的应用前景。
制备二维光子晶体的方法主要包括自组装法、显微加工法和非线性光学加工法等。
自组装法通过表面张力、溶剂挥发、电泳等方法，在材料表面或溶液中自发形成二维光子晶体的周期结构；显微加工法利用光刻、离子束照射等微纳加工技术，直接在材料表面加工出具有周期性结构的光子晶体；非线性光学加工法则是利用激光等能量较高的光束对材料进行非线性光学作用，形成二维光子晶体的结构。
不同的制备方法会导致二维光子晶体在结构上有所差异，从而影响其在滤波器等光学器件中的性能表现。
2. 二维光子晶体滤波器的工作原理二维光子晶体滤波器利用光子晶体的布拉格衍射效应，调控特定波长范围内的光的传播过程，实现对光波长的选择性过滤。
当入射光波长与二维光子晶体的布拉格衍射条件相匹配时，光子晶体会对此波长的光产生全反射或透射，从而实现对光的选择性过滤。
利用这一原理，可以将特定波长范围内的光信号从复杂的光场中分离出来，从而在光通信、光传感等领域有着重要的应用价值。
3. 二维光子晶体滤波器的研究与应用近年来，二维光子晶体滤波器的研究逐渐受到了广泛的关注。
通过调控二维光子晶体的周期结构参数和材料的光学性质，可以实现对滤波器的工作波长范围、透射率和带宽等性能指标的优化。
通过调节二维光子晶体的周期结构参数和材料的折射率，可以实现滤波器的工作波长范围的调控；通过优化二维光子晶体的结构和材料的损耗特性，可以有效地提高滤波器的透射率和带宽。
这些研究成果为二维光子晶体滤波器的应用提供了重要的技术支持。
二维光子晶体微腔特性分析及应用研究
二维光子晶体微腔特性分析及应用探究引言二维光子晶体微腔作为一种具有高品质因子和小体积的纳米光学结构，在光子学领域引起了广泛的关注。
其特殊的光学性质使其在信息传输、能量调控等方面具有广泛的应用潜力。
本文将对二维光子晶体微腔的特性进行分析，并重点探讨其在光通信、激光器、传感器和光子计算等应用领域的探究进展。
一、二维光子晶体微腔的特性分析1. 光子晶体微腔的基本原理光子晶体微腔是一种由周期性的折射率分布构成的微观空间。
通过光子晶体材料的周期性结构，可以实现光的各种互相作用。
其特性主要通过光子带隙效应和光子波导效应来实现。
2. 光子晶体微腔的光学性质二维光子晶体微腔具有高品质因子、小模式体积和强光与物质互相作用等特点。
其中，品质因子是描述光场在腔内衰减的速率与光场在腔内往来的速度之比。
高品质因子使得光子晶体微腔能够实现高效率的光传输和能量储存。
此外，与传统光腔比较，其体积更小，从而具有更高的集成度和更快的响应速度。
3. 光子晶体微腔的调控方法为了实现对光子晶体微腔的调控，可以通过改变晶格常数、折射率和腔体尺寸来调整光子晶体微腔的特性。
例如，在微纳加工过程中改变结构形貌、控制材料选择或在微腔中注入局域化缺陷等方法，都能够有效地调控光子晶体微腔的性能。
二、光子晶体微腔在光通信领域的应用探究1. 光子晶体微腔的主动调控技术光通信中需要实现光源的拉伸、调整光频率和脉冲的压缩等功能。
利用电子注入、光子注入和热效应等主动调控技术，可以实现对光子晶体微腔中光场的精确控制。
通过控制注入的电流、电压或光强度，可以实现光的放大、调频和脉冲的压缩等功能。
2. 光子晶体微腔在光通信器件中的应用光子晶体微腔可以用于光通信器件的构建，如微激光器和光调制器等。
其小体积和高品质因子使其具备高效率、高速度和低功耗的特点。
此外，光子晶体微腔还能够实现光波分复用、信号调制和指定光路传输等功能，为光通信领域的进步提供了新的方向。
三、光子晶体微腔在其他应用领域的探究进展1. 光子晶体微腔在激光器中的应用利用光子晶体微腔构建激光器可以实现窄线宽、高转化效率和高阈值特性等。
《二维光子晶体生物传感器光谱特性分析》范文
《二维光子晶体生物传感器光谱特性分析》篇一一、引言随着科技的进步，生物传感器在医疗、环境监测、食品安全等领域的应用越来越广泛。
其中，二维光子晶体生物传感器以其独特的光学特性和高灵敏度在生物检测领域备受关注。
本文将针对二维光子晶体生物传感器的光谱特性进行分析，以期望对其在生物传感中的应用提供理论基础。
二、二维光子晶体的基本概念与结构二维光子晶体是一种具有周期性介电结构的材料，其独特的结构导致光子在其内部传播时具有特定的运动规律。
其基本结构由许多周期性排列的介质柱组成，这些介质柱之间的间距与光波长相当，从而形成光子带隙。
这种结构使得二维光子晶体具有独特的光学特性，如高反射性、光子限制等。
三、二维光子晶体生物传感器的光谱特性（一）高灵敏度二维光子晶体生物传感器的高灵敏度主要源于其独特的光子带隙结构。
当生物分子与传感器表面的介质柱相互作用时，会引发局部光子态密度的变化，这种变化可以被传感器精确地检测到，从而实现高灵敏度的生物检测。
（二）高分辨率光谱响应二维光子晶体生物传感器的光谱响应具有高分辨率的特点。
由于光子带隙的存在，传感器只对特定波长的光产生响应，从而使得传感器能够精确地检测生物分子的吸收、发射等光谱特性。
（三）良好的稳定性与重复性二维光子晶体生物传感器的光谱特性具有良好的稳定性和重复性。
这种特性主要得益于其周期性介电结构的稳定性，以及光子在其内部传播的规律性。
这使得传感器在多次使用后仍能保持其光谱特性的稳定性和一致性。
四、光谱特性分析方法为了更深入地了解二维光子晶体生物传感器的光谱特性，我们采用了多种分析方法。
包括光谱响应曲线分析、光谱分辨率测试、稳定性与重复性实验等。
通过这些分析方法，我们能够更准确地了解传感器的性能和特点。
五、实验结果与分析（一）光谱响应曲线分析通过光谱响应曲线分析，我们发现二维光子晶体生物传感器对不同波长的光具有不同的响应。
这种响应与生物分子的吸收、发射光谱相匹配，从而使得传感器能够精确地检测生物分子的存在和浓度。
二维光子晶体
二维光子晶体
二维光子晶体是一种具有周期性结构的材料，其结构类似于晶体，但
是其周期性结构是在平面上进行的。
这种材料可以通过控制其周期性
结构来控制光的传播和反射，因此在光电子学、光通信等领域有着广
泛的应用。
二维光子晶体的制备方法主要有两种：自组装法和纳米加工法。
自组
装法是指利用分子自身的亲疏水性质，在水中形成一定的排列方式，
从而形成二维光子晶体。
而纳米加工法则是通过纳米加工技术将材料
切割成一定大小和形状的纳米颗粒，并通过堆积、压实等方式形成二
维光子晶体。
二维光子晶体具有许多优异的物理特性，其中最重要的就是它们可以
产生完全禁带，这意味着它们可以阻止特定波长范围内的光线穿过材料。
这种完全禁带效应使得二维光子晶体在制备激光器、传感器、太
阳能电池等方面都有着广泛应用。
此外，二维光子晶体还可以用于制备微型光学器件。
例如，通过将二
维光子晶体切割成一定大小和形状的微米结构，可以制备出微型透镜、微型波导等器件。
这些器件由于尺寸小、重量轻、功耗低等特点，在
微纳电子学、生物医学等领域有着广泛应用。
总的来说，二维光子晶体是一种具有广泛应用前景的材料，其在光电子学、光通信等领域具有重要作用。
随着技术的不断发展和完善，相信二维光子晶体在未来会有更加广泛的应用。
《二维光子晶体生物传感器光谱特性分析》范文
《二维光子晶体生物传感器光谱特性分析》篇一一、引言随着现代生物技术的飞速发展，生物传感器作为一种重要的检测工具，在生物医学、药物研发、环境监测等领域中发挥着重要作用。
二维光子晶体生物传感器作为一种新兴的传感器技术，其光谱特性的研究显得尤为重要。
本文将深入分析二维光子晶体生物传感器的光谱特性，探讨其工作原理、性能指标及实际应用。
二、二维光子晶体生物传感器的工作原理二维光子晶体生物传感器是一种基于光子晶体结构的新型传感器。
其工作原理主要依赖于光子晶体的独特光学性质。
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的介质结构，能够在特定波长范围内形成光子带隙。
当光子与光子晶体相互作用时，会在带隙内形成特定的光子态密度分布，从而实现对光信号的调控和检测。
二维光子晶体生物传感器通过将生物分子与光子晶体相结合，利用光子晶体的光学性质对生物分子的相互作用进行检测。
其工作过程包括样品制备、光谱测量、数据分析等步骤。
通过分析样品的光谱特性，可以实现对生物分子的定性、定量检测。
三、二维光子晶体生物传感器的光谱特性分析（一）光谱响应范围二维光子晶体生物传感器的光谱响应范围取决于光子晶体的周期性结构以及生物分子的光学性质。
通过优化光子晶体的结构参数，可以调整传感器的光谱响应范围，使其适应不同生物分子的检测需求。
（二）灵敏度与分辨率二维光子晶体生物传感器具有较高的灵敏度和分辨率。
由于光子晶体的特殊光学性质，传感器能够实现对弱光信号的检测，并且具有较高的空间分辨率。
这有助于提高生物分子检测的准确性和可靠性。
（三）稳定性与可重复性二维光子晶体生物传感器的稳定性与可重复性是评价其性能的重要指标。
通过优化制备工艺和改进测量方法，可以提高传感器的稳定性和可重复性，从而保证测量结果的可靠性和一致性。
四、性能指标及实际应用（一）性能指标二维光子晶体生物传感器的性能指标主要包括灵敏度、分辨率、线性范围、响应时间等。
这些指标综合反映了传感器的性能优劣，是评价传感器性能的重要依据。
二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪及其设计方法[发明专利]
![二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪及其设计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/7e1e2b2b0c22590103029d02.png)
专利名称：二维光子晶体自准直马赫－曾特尔干涉仪及其设计方法
专利类型：发明专利
发明人：蒋寻涯,赵德印,陈曦耀,张洁,姚培军
申请号：CN200710037990.6
申请日：20070312
公开号：CN101266337A
公开日：
20080917
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种二维光子晶体自准直马赫－曾特尔干涉仪及其设计方法，其中所述的设计方法包括如下步骤：步骤1、选定材料，确定材料折射率，选择正方晶格光子晶体的类型，确定结构参数；步骤2、利用平面波展开法计算该结构的等频图，得到具有自准直现象的电磁波模式；步骤3、在光子晶体引入线缺陷作为分束器和全反射镜，构成光子晶体马赫－曾特尔干涉仪，在构成干涉仪的材料中引入非线性效应，该干涉仪可以用作光强探测器和光开关；本发明的光子晶体自准直干涉仪、光强探测器和光开关的优点在于光束在光子晶体中自引导不需要导波结构，分束和弯折机制简单，而且避免了光子晶体波导型干涉仪中存在的波导耦合问题，此外还有分束器的分束比容易控制，结构体积小等特点。
申请人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
地址：200050 上海市长宁区长宁路865号
国籍：CN
代理机构：上海光华专利事务所
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光子晶体基于有效折射率近零的光束准直出射
光子晶体基于有效折射率近零的光束准直出射光子晶体是一种新型的人造材料,利用其特殊性质可以实现对光波导的设计,其中光束的准直出射是光子晶体的重要应用之一。
本文主要采用平面波展开法(PWM)和时域有限差分法(FDTD)研究了二维正方格子光子晶体靠近带隙边沿附近频率光波的传输特性。
首先,我们基于光子晶体能带结构,选取相应的入射光源频率。
研究发现,若研究入射光对应的光子晶体有效折射率接近于零,可出现光束从晶体表面准直出射的现象,且光束的出射方向只与晶体表面的取向有关,而与晶格取向无关.这种现象与自准直现象有很大不同。
其次,我们通过单变量法对上述模拟中的光子晶体各结构参数进行研究。
晶体参数包括横、纵向周期数目,入射光源宽度和频率,具体探究各参数改变对出射效果的影响。
探索参数变化引起的准直特性的变化规律,探究晶体内光场分布规律,并分析原因。
再次,选择不同体系的二维光子晶体结构,发现对于二维四方晶格空气孔体系、二维三角晶格介质柱体系和二维三角晶格空气孔体系在相应的有效折射率近零时均具有较好的准直透射性,表明该现象具有普遍性。
最后,我们对研究过程中的缺点和不足进行了阐述,并对基于该准直方法的光子晶体应用做了进一步的分析和展望。
二维光子晶体的特殊色散特性研究
二维光子晶体的特殊色散特性研究随着人们对二维光子晶体的研究越来越深入，越来越多的技术在致力于钻研二维光子晶体的特殊性质。
其中，最突出的一点就是二维光子晶体形成的特殊色散特性，因此，开展二维光子晶体的特殊色散特性研究就显得尤为重要。
由于二维光子晶体是一种特殊的结构，其中包含有类似金属电介质特性的特殊色散波，这种特殊色散波会在特定范围内发生变化，使得光子拥有独特的衍射特性，能够消除传统非线性媒质中的拉曼散射，这种情况就是“特殊色散”，具有重要的应用价值。
此外，二维光子晶体还可以调控其频率或色散特性，从而得到更高精度的衍射效果，并可以有效地用于控制光传输，实现智能控制。
这种特异的色散已经被广泛应用于光学传感器、光通信、抗衰减技术、光检测等领域。
因此，为了实现更好的色散特性，需要对二维光子晶体进行详细的研究，以了解其中的特殊性质。
为此，最近，研究者们发现，当特定的参数调节下，二维光子晶体的色散可以得到极大的改善，并且可以避免传统技术中的拉曼散射，从而提高二维光子晶体的效率。
在改善二维光子晶体色散特性方面，奈米结构材料和特殊设计结构在调节色散中发挥了重要作用。
另外，对二维晶体的材料结构和处理方式的选择也是影响色散特性的重要因素。
同时，为了更好地探索二维光子晶体的特殊色散特性，有必要进行实验研究。
实验中，首先，可以根据不同的参数调节来测试色散特性，以确定最佳的工艺参数，并对比改善后的色散特性，以实验验证模型中的色散模型。
其次，可以就不同材料和结构设计进行比较，以找出最佳表现的色散特性。
最后，可以从现有的先进技术中，如量子工程、抗衰减技术等，获取更多信息，以改善二维光子晶体的特殊色散特性。
综上所述，特殊色散波是二维光子晶体形成的特殊性质之一，因此，开展二维光子晶体的特殊色散特性研究显得尤为重要。
然而，这种特殊色散的研究并不容易，如上所述，需要对二维光子晶体的材料和结构设计进行精细的调控，并借助实验和先进技术，研究二维光子晶体的特殊色散特性，以及改善的可能性，以获得最佳的表现。
可实现偏振无关单向传输的二维硅基环形孔光子晶体
可实现偏振无关单向传输的二维硅基环形孔光子晶体刘丹;胡森【摘要】基于光子晶体来构筑偏振无关光二极管在光电集成领域具有重大的应用价值.首先提出了一种环形孔光子晶体,能带结构显示其对横电及横磁模式同时展现出显著的方向带隙.以此构建了三角形状的环形孔光子晶体,利用时域有限差分法计算其透过谱及场分布图,发现该结构能实现偏振无关单向传输特性,然而正向透过率太低(约20％).进一步引入尺寸较小的三角形状的环形孔光子晶体构成光子晶体异质结结构,有效地提高了偏振无关单向传输性能,正向透过率增大了一倍.通过界面结构的调整,正向透过率进一步增大,优化后的环形孔光子晶体异质结结构能同时对类横电及类横磁模式入射光实现单向传输,且正向透过率达到了44％.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2019(068)002【总页数】7页(P109-115)【关键词】环形孔光子晶体;单向传输;偏振无关【作者】刘丹;胡森【作者单位】湖北第二师范学院物理与机电工程学院,武汉 430205;湖北第二师范学院物理与机电工程学院,武汉 430205;华中师范大学物理科学与技术学院,武汉430079【正文语种】中文1 引言1987 年, John[1]和 Yablonovitch[2]分别提出了一种介电常数在空间周期性变化的结构, 被称为光子晶体(photonic crystal, PC). PC最重要的特点是具有光子禁带和光子局域特性[3], 可以灵活控制光的传播, 在光学器件设计等领域被广泛研究. 目前已成功设计了多种基于PC结构的光学器件, 如光子晶体发光二极管[4,5]、光子晶体波导[6,7]、光子晶体光纤[8]、光子晶体滤波器[9,10]等.光二极管是一种能使光单向传输的器件, 其作用类似于电子二极管, 在光电集成及全光通信领域具有重要的应用[11]. 其中, 基于光子晶体结构的光二极管因其独特的性能而成为研究热点. 早期, 通过在光子晶体内引入磁性材料[12,13]或非线性材料[14]来实现光的单向传输, 然而这种方法需要外加磁场或光场, 极大地局限了其应用. 随后, 人们发现采用空间反转对称破缺来实现光的单向传输刚好可以弥补这个缺点, 因此备受关注[15-22]. Kurt等[15]设计并制作了空气中的硅柱型光子晶体波导, 通过理论分析和实验证明了对类横磁(TM)模式光波的单向传输. Zhang等[16]报道了一种对类TM模式光波在宽频带内实现单向传输的光栅-光子晶体结构. 近年来, 通过两个PC1及PC2的倾斜异质结界面的折射效应实现光波的单向传输得到了广泛的关注. 这种方法通常是选择入射光的频率处于PC1的Γ—X通带范围, 并同时处于PC2的Γ—X禁带及Γ—M通带范围. 当入射光沿正向入射时, 首先能沿Γ—X方向穿过PC1到达异质结界面, 然后因在异质结界面发生强烈的折射效应而沿Γ—M 方向穿过PC2, 从而穿透整个异质结结构并从右边出射; 然而, 当入射光沿反向入射时,由于入射光频率处于PC2的Γ—X禁带范围, 将被强烈反射而无法穿过异质结结构, 由此实现单向传输特性. 基于此原理, Lu等[17]构建了正方排列的空气孔型MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene])光子晶体异质结结构, 通过实验验证了对横电(TE)模式光波的单向传输. Wang等[18]也设计了硅基空气孔型光子晶体异质结结构, 对类TE模式光波实现了高效的单向传输, 并基于此结构研制出近红外波段的光子晶体全光二极管. Feng和Wang[19,20]先后设计了很多新颖的二维硅基光子晶体异质结结构, 可在近红外波段有效地实现光信号的单向传输.Cheng等[21]构建了二维硅基空气孔型光子晶体异质结结构, 基于优化的异质结界面实现了对类TE模式光波的单向传输.以上研究的光二极管都是基于空气孔型或介质柱型硅基光子晶体来构建的, 分析了入射光源为类TE或类TM模式时的单向传输特性. 对不同偏振模式, 光子晶体的能带区别很大, 如能采用简单的结构同时对类TE和类TM模式入射光实现高效的单向传输, 将在光电集成领域具有重大的应用价值. 然而, 能同时对类TE和类TM模式实现单向传输(即偏振无关单向传输)的光二极管的相关研究甚少[23]. 环形孔光子晶体已被证实具有偏振无关的特性, 基于环形孔光子晶体可以制作偏振无关自准直波导、偏振无关分束器等[24-27]. 因此, 本文首先提出了三角形状的环形孔光子晶体结构, 发现该结构能实现偏振无关单向传输. 为了进一步提高偏振无关单向传输性能, 构建了能同时对TE和TM模式实现单向传输的环形孔光子晶体异质结结构, 并通过优化异质结界面, 实现了高效的偏振无关单向传输特性.2 环形孔光子晶体结构与传输特性分析本文构建了硅基环形孔光子晶体结构, 如图1所示. 光子晶体由硅基底(折射率为3.45)中正方排列的空气环构成, 长度为29列空气环, 宽度为29行空气环[23]. PC 的晶格常数设为 a, 空气环内、外半径分别为 Ri , Ro . 沿x轴的Γ—X方向和与x 轴成45°夹角的Γ—M方向为正方晶格光子晶体的两个基本对称方向(其中Γ, X, M 表示正方晶格的第一布里渊区的高对称点).方向带隙是光子晶体具有单向传输特性的重要条件[22], 因此要实现偏振无关单向传输, 光子晶体需同时对TE模式和TM模式展现出显著的方向带隙. 本文选用的环形孔光子晶体的结构参数为Ri=0.19a, Ro=0.44a. 采用平面波展开法计算了PC能带结构, 结果如图2所示.图1 环形孔光子晶体的结构及参数Fig.1. Annular PC structure and parameters. 图2 环形孔光子晶体的能带结构Fig.2. Band structure of annular PC.由图2可知, 当频率为0.4 ( a/λ) —0.47 ( a/λ) 时,类TE模式入射光将被禁止沿Γ—X方向穿过光子晶体, 却能沿Γ—M方向穿过该区域, 光子晶体对TE模式展现了沿Γ—X方向的禁带特性和Γ—M方向的通带特性, 即方向带隙特性. 同时,当频率为0.41 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 时, 光子晶体对TM模式也显示了方向带隙特性(Γ—X方向的禁带和Γ—M方向的通带特性). 由此可知, 存在一个共有的频率范围(0.41 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) ), 光子晶体能同时对TE模式和TM模式展现出方向带隙特性, 这正是该结构能实现偏振无关单向传输的必要条件. 因此, 基于该环形孔光子晶体结构有望实现光的偏振无关单向传输.将图1所示环形孔光子晶体沿对角线分割得到如图3(a)所示的三角形状的环形孔光子晶体结构. 利用时域有限差分法计算了该三角形状的环形孔光子晶体的透过谱和场分布图. 整个结构包裹在理想匹配层(PML)吸收边界条件下, 所使用的光源分别为类TE模式高斯波形电磁波和类TM模式高斯波形电磁波. 在结构的输入端设置光源, 并在输出端设置探测器, 探测器的尺寸几乎覆盖整个输出端, 以便有效地记录能流强度随时间演化的数据, 再通过傅里叶变换为频率强度谱, 以光源的频率强度谱作为归一就可以得到结构在不同频率上的透过率[18,22]. 本文不仅要实现偏振无关单向传输特性, 而且特别关注透过率的取值, 希望实现高效的偏振无关单向传输, 因此为了更清晰易读, 本文的透过率均采用线性值表示. 考虑到当光水平(沿x轴)入射时, 结构的单向传输性能最佳[23], 因此定义沿 + x方向的入射光为正向光, 沿 -x 方向的入射光为反向光, 当入射光源分别为类TE或类TM模式时, 正、反向透过谱如图3(b), (c)所示.图3 (a) 三角形状的环形孔光子晶体; (b)入射光源为类TE模式时的正、反向透过谱; (c) 入射光源为类TM模式时的正、反向透过谱Fig.3. (a) Triangular annular PC structure; (b) the forward and backward transmission spectra of the TE-like incident light;(c) the forward and backward transmission spectra of the TM-like incident light.图3(b)和图3(c)分别为入射光为类TE模式和类TM模式时三角形状的环形孔光子晶体的透过谱. 由图可知, 当频率为0.41 ( a/λ) —0.463 ( a/λ) ,该结构对类TE模式的入射光展现出单向传输的特性; 对类TM模式的入射光, 单向传输特性出现在频率0.41 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 内. 由此可知,0.41 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 为类TE及类TM模式入射光共有的单向传输频率范围, 此结果与能带结构(如图2所示)显示的结果一致. 同时, 当频率为0.419 ( a/λ) 时, 类TE模式及类TM模式入射光的正向透过率相等, 约为20.9%. 图4给出了频率为0.43 ( a/λ) 的类TE及类TM模式入射光对应的正、反向场分布图. 由图4可知, 入射光为类TE或类TM模式时, 一部分可沿正向穿透三角形状的环形孔光子晶体, 并从结构的右侧射出, 然而,绝大部分的入射光被倾斜的交界面反射. 当类TE或类TM模式入射光反向入射时, 由于该频率对应TE模式及TM模式的Γ—X方向禁带, 因此入射光无法沿Γ—X方向穿过PC区域, 在结构的左侧无出射场存在. 场分布图进一步证实了该结构可以实现偏振无关单向传输特性.由以上结果可知, 这种三角形状的环形孔光子晶体能实现偏振无关单向传输, 然而, 该结构的正向透过率太低(约20%), 因此该结构不适合用来构筑高效的偏振无关光二极管.图4 频率为0.43 ( a/λ) 时, 类TE或类TM模式光入射到三角形状环形孔光子晶体时的正向(a)和(c)、反向(b)和(d)场分布图Fig.4. Forward (a), (c) and backward(b), (d) field distribution of the TE-like or TM-like light at0.43(a/λ)propagating in triangular annular PC.3 优化设计由第2节的分析可知: 三角形状的环形孔光子晶体可以实现偏振无关单向传输特性, 但是正向传输效率很低(约20%). 为了提高偏振无关单向传输的性能, 本节首先构建环形孔光子晶体异质结结构, 如图5(a)所示. 图5(a)是在图3(a)结构的基础上, 引入另一个较小尺寸的三角形状的环形孔光子晶体构成异质结结构. 结构参数如图5(a)所示,其中尺寸较小的光子晶体(PC1)的参数为ri=0.1a, ro=0.26a, 尺寸较大的光子晶体(PC2)的参数仍为 Ri=0.19a, Ro=0.44a.图5 (a)环形孔光子晶体异质结结构；(b) PC1的能带结构；(c)入射光源为类TE模式时的正、反向透过谱； (d)入射光源为类TM模式时的正、反向透过谱Fig.5. (a) Annular PC heterostructure； (b) band structure of PC1； (c) forward and backward transmission spectra of the TE-like incident light； (d) forward and backward transmission spectra of the TM-like incident light.由第2节分析已获知, 当频率为0.41 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 内, PC2对TE和TM模式同时展现了沿Γ—X方向的禁带和Γ—M方向的通带特性. 采用平面波展开法计算了PC1的能带结构,结果如图 5(b)所示, 当频率约为0.42 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 时, PC1对TE和TM模式同时具有沿Γ—X方向及Γ—M方向的通带特性. 因此, 当频率处在0.42 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 时, PC1对 TE 及TM模式均为全方向导带, 而PC2对TE及TM模式均存在方向带隙(Γ—X方向的禁带和Γ—M方向的通带), 这正是异质结结构能实现单向传输的必要条件[18,21,22]. 因此, 0.42 ( a/λ) —0.46 ( a/λ) 是环形孔光子晶体异质结对TE模式及TM模式共有的单向传输的频率范围. 图5(c)和图5(d)分别为入射光为类TE和类TM模式时的透过谱. 由图可知, 当入射光为类TE模式时, 单向传输特性出现在频率0.42 ( a/λ) —0.47 ( a/λ) 范围内, 且当频率值为0.434 ( a/λ) 时最大正向透过率约为53.4%; 当入射光为类TM模式时, 单向传输频率范围为0.41 ( a/λ) —0.455 ( a/λ) , 最大正向透过率约为49.2% (0.425 ( a/λ) ), 即: 环形孔光子晶体异质结结构在0.42 ( a/λ) —0.455 ( a/λ) 范围内实现了偏振无关单向传输, 此结果与上述能带结构显示的结果相吻合. 同时, 当频率为0.43 ( a/λ) 时, 类TE及类TM模式入射光的正向透过率相等, 约为40%. 图6给出了频率为0.43 ( a/λ) 的类TE及类TM模式入射光对应的正、反向场分布图. 当类TE及类TM模式入射光正向入射时, 因PC1具有Γ—X方向的通带特性, 入射光可穿透PC1到达环形孔光子晶体的异质结界面, 同时此频率位于PC2光子晶体Γ—M方向通带区域, 因此部分光由于折射效应穿过PC2区域并从结构的右侧发射出来; 当类TE模式和类TM模式入射光反向入射时, 因PC2具有Γ—X方向禁带, 入射光不能沿Γ—X方向穿过PC2区域, 因此在PC1的左侧几乎观测不到出射场. 场分布图进一步证实了该结构具有偏振无关单向传输特性.图6 频率为0.43 ( a/λ) 时, 类TE或类TM模式光入射到环形孔光子晶体异质结时的正向(a)和(c)、反向(b和d)场分布图Fig.6. Forward (a), (c) and backward (b), (d) field distribution of the TE-like or TM-like light at 0.43 ( a/λ) propagating in the annular PC heterostructure.同时, 与三角形状的环形孔光子晶体(图3(a))相比, 该环形孔光子晶体异质结结构具有更好的偏振无关单向传输性能, 正向透过率增大了一倍.进一步, 将PC2结构中靠近交界面的一组空气环的尺寸减小至内径 0 .1a、外径0 .26a, 形成如图7(a)所示的结构. 图7(b)，(c)为该优化结构对应的入射光为类TE 和类TM模式的透过谱，由图可知, 类TE和类TM模式光入射时的透过谱与未优化的环形孔光子晶体异质结的透过谱曲线相似, 在频率约为0.42 ( a/λ) —0.455 ( a/λ) 范围内显示了偏振无关单向传输的特性. 然而, 界面优化后, 正向透过率有所提高, 其中, 类TE模式入射光对应的正向透过率峰值为57.9%(0.435 ( a/λ) ),类TM模式入射光对应的正向透过率峰值为55%(0.426 ( a/λ) ), 并且当频率约为0.43 ( a/λ) 时, 类TE及类TM模式入射光对应的透过率相等, 约为44%. 图8为频率为0.43 ( a/λ) 时的场分布图. 场分布图结果证实, 该结构具有偏振无关单向传输特性.图7 (a)优化后的环形孔光子晶体异质结结构；(b)入射光源为类TE模式时的正、反向透过谱；(c)入射光源为类TM模式时的正、反向透过谱Fig.7. (a) Optimized annular PC heterostructure； (b) forward and backward transmission spectra of the TE-like incident light；(c) forward and backward transmission spectra of the TM-like incident light.图8 频率为0.43 ( a/λ) 时, 类TE及类TM模式光入射到优化后的环形孔光子晶体异质结时的正向(a)和(c)、反向(b和d)场分布图Fig.8. Forward (a), (c) and backward (b), (d) field distribution of the TE-like and TM-like light at 0.43 ( a/λ) propagating in the optimized annular PC heterostructure.综上可知, 通过优化异质结界面, 环形孔光子晶体异质结结构能实现偏振无关单向传输, 且偏振无关的正向透过率达到了44%. 考虑应用到1550 nm波段, 晶格常数a取值约为666 nm, 类似尺寸的环形孔光子晶体结构已经被成功制备[28].4 结论本文基于环形孔光子晶体能同时对TE及TM模式展现出方向带隙的特性, 构建了三角形状环形孔光子晶体, 发现该结构虽然能实现偏振无关单向传输, 但正向透过率太低(约20%). 其次, 基于光子晶体异质结实现单向传输的优势, 构建了环形孔光子晶体异质结结构, 有效地提高了偏振无关单向传输性能, 正向透过率增大了一倍, 同时, 采用界面优化设计后, 环形孔光子晶体异质结实现的偏振无关单向传输的正向透过率达到了44%. 基于此环形孔光子晶体异质结可构筑出高性能的偏振无关光二极管, 从而为偏振无关光二极管的设计提供重要的参考.参考文献【相关文献】[1] John S 1987 Phys. Rev. Lett.58 2486[2] Yablonovitch E 1987 Phys. Rev. Lett.58 2059[3] Ho K M, Chan C T, Soukoulis C M 1990 Phys. Rev. Lett.65 3152[4] Wierer J J, Krames M R, Epler J E 2004 Appl. Phys. Lett.84 3885[5] Kim D H, Cho C O, Roh Y G 2005 Appl. Phys. Lett.87 203508[6] Wang C X, Xu X S, Li F, Du W, Xiong G G, Liu Y L, Chen H D 2006 Chin. Phys. 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新型二维光子晶体自准直滤波器的设计与数值模拟的开题报告
新型二维光子晶体自准直滤波器的设计与数值模拟的开题
报告
一、选题背景及意义
自准直滤波器是一种在光通信中广泛应用的光学器件，其作用是滤除光信号中的杂波和干扰。
传统的自准直滤波器主要由光纤和光栅组成，然而，这种滤波器的缺点是体积较大、损失较大、成本较高等。
因此，在这个背景下，研究设计一种新型、性能更好的自准直滤波器显得尤为重要。
二、研究目标
本研究的目标是利用二维光子晶体的属性来设计一种新型的自准直滤波器，通过数值模拟的方法对其性能进行验证，并优化其结构以提高滤波器的性能。
三、研究内容
本研究的主要内容包括：
1. 研究二维光子晶体的属性以及在滤波中的应用。
2. 设计自准直滤波器的结构，利用有限差分时间域方法对其进行数值模拟。
3. 对自准直滤波器的性能进行分析，在其性能优化方面开展研究。
四、研究方法
本研究主要采用数值模拟和理论分析相结合的方法。
在模拟方面，采用有限差分时间域方法对自准直滤波器进行数值模拟。
在理论分析方面，对滤波器的性能进行分析，并对其结构进行优化。
五、预期成果
通过本研究，预期可以得到以下成果：
1. 提出一种基于二维光子晶体的自准直滤波器结构设计，并进行数值模拟。
2. 优化自准直滤波器的结构，提高其滤波效果，同时降低成本。
3. 提高二维光子晶体在光通信中的应用价值，为未来的光通信技术提供一种新的选择。
光子晶体自准直效应的特性研究的开题报告
光子晶体自准直效应的特性研究的开题报告一、研究背景光子晶体是指一种周期性介质结构，其具有交错层状的介电常数分布，类似于自组装的二维或三维结构。
光子晶体的具有许多特性，比如良好的光学性质、多孔性结构、非线性光学性质等，这些特性使得光子晶体在光电子学、传感器、光电通信等领域发挥着重要的作用。
自准直效应是光子晶体的另一种特性。
自准直效应是指当光从光子晶体中传播时，其传播方向会随着光子晶体的结构而改变，在光子晶体某些方向上，光的传播方向可以自动调整到最佳传播方向，达到自准直效应。
自准直效应具有许多应用前景，比如用于制作光路选择器、激光控制等。
二、研究内容本研究的主要内容是关于光子晶体自准直效应的特性研究，具体包括以下内容：1. 研究不同光子晶体结构的自准直效应特性。
2. 探究光子晶体不同参数对自准直效应的影响，比如晶格常数、孔径大小、分布周期等。
3. 研究光子晶体自准直效应在不同波长下的特性变化。
4. 研究光子晶体自准直效应与其它光学效应（如散射、折射等）的相互作用关系。
5. 研究光子晶体自准直效应在光电子学、传感器等领域的应用前景。
三、研究方法本研究将采用计算机模拟方法和实验方法相结合的方式进行。
具体地，通过计算机模拟方法构建不同光子晶体结构，探究不同参数对自准直效应的影响，同时也可以对比实验结果进行验证。
在实验方面，将利用光学干涉法、探针探测等手段，测量不同光子晶体结构下的自准直效应特性。
四、研究意义本研究对于深入了解光子晶体自准直效应的特性及其应用具有重要的意义。
同时，本研究将开拓新的研究思路和方法，为光电子学、传感器等领域的应用提供一定的理论和实验基础。
《二维光子晶体环形腔波导特性分析》
《二维光子晶体环形腔波导特性分析》篇一一、引言随着光子晶体技术的快速发展，二维光子晶体在光学通信、光子集成电路以及量子信息处理等领域的应用逐渐凸显。
其中，环形腔波导作为二维光子晶体的一种重要结构，具有优异的波导特性和模式控制能力，为光子操控提供了新的途径。
本文将对二维光子晶体环形腔波导的特性进行深入分析，旨在探讨其应用前景及性能优化策略。
二、二维光子晶体基本原理二维光子晶体是一种具有周期性介电结构的材料，其独特的结构能够控制光子的运动，从而实现光子的操控和传输。
在二维光子晶体中，光子遵循类似于电子在固体晶格中运动的规律，因此具有独特的波导特性和模式控制能力。
三、环形腔波导结构与特性环形腔波导是二维光子晶体中的一种重要结构，其基本原理是利用光子晶体的周期性介电结构，将光子限制在环形波导内传播。
这种结构具有优异的波导特性和模式控制能力，能够实现光子的高效传输和精确操控。
环形腔波导的主要特性包括：1. 模式控制能力：环形腔波导能够将特定模式的光子限制在波导内传播，有效抑制了其他模式的传播。
2. 传输效率高：由于环形腔波导的特殊结构，使得光子在传输过程中受到的散射和损耗较小，从而提高了传输效率。
3. 精确操控能力：通过调整环形腔波导的结构参数，可以实现对光子的精确操控，如改变传输方向、实现光子分束等。
四、环形腔波导特性分析针对二维光子晶体环形腔波导的特性和应用需求，本文进行了深入的分析。
主要包括以下几个方面：1. 波导模式分析：通过对环形腔波导的模拟计算，分析了不同模式的光子在波导内的传播特性，为模式控制提供了理论依据。
2. 传输损耗分析：通过对环形腔波导的传输损耗进行测量和分析，评估了其在实际应用中的性能表现。
3. 操控能力分析：通过调整环形腔波导的结构参数，实现了对光子的精确操控，为光子操控提供了新的途径。
五、性能优化策略针对二维光子晶体环形腔波导的性能优化，本文提出了以下策略：1. 优化材料选择：选择具有高折射率和低损耗的材料，以提高环形腔波导的传输效率和模式控制能力。
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二维光子晶体中与电磁波偏振态无关的自准直沈晓鹏韩 奎 沈义峰 李海鹏 肖正伟 郑 健(中国矿业大学理学院物理系,徐州 221008)(2005年8月5日收到;2005年11月13日收到修改稿) 利用有限时域差分法(FDTD)进行数值模拟,在二维光子晶体中实现了电磁波两种偏振态的自准直 全光自准直(full light self collimation).研究表明,通过对光子晶体的结构做适当的调整,可以在较宽频率范围内实现横电波(TE 波)和横磁波(TM 波)沿着相同方向传播,同时保持较强的能流强度.全光自准直可以显著提高光源利用率和光波导的传播效率,在高密度集成光路中有非常重要的用途.关键词:光子晶体,偏振,自准直PACC :4270,4210,4280E mail:xiaopengshen@1 引言光子晶体是20世纪80年代末提出的新概念和新材料[1,2].这种材料有一个显著的特点,即人们可以利用这种材料来控制光子的运动.光子晶体不仅是与光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术密切相关的一种新材料,也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料[3 7].近年来,光子晶体中的自准直效应引起了人们的广泛关注[8 12].Kosaka 首先指出:不借助任何非线性效应,在光子晶体中就可以实现与初始光束发散特性无关的准直传播,无需引入光子晶体波导中常用的波导结构,自准直光束就可以克服光束的发散或衍射加宽效应而显示出几乎完全准直的传播特性[8].自从光子晶体中的自准直效应被提出以来,由于可能在高密度的集成光路中发挥重要作用,吸引了大批研究人员进行理论和实验研究.文献[10]对二维光子晶体中TM 偏振态的自准直效应进行了详细的论述,基于这种效应的光弯折、光分束器在理论和实验上也受到了广泛关注[11,12].可以预言,在未来的高密度集成光路中基于自准直效应的光波导器件将会得到广泛的应用.众所周知,在二维光子晶体中电磁波可以分解为TM 波(磁场垂直于介质柱子轴线)和TE 波(电场垂直于介质柱子轴线)[13].据我们所知,目前关于自准直的工作都是基于单一偏振模式,即TE 波或者TM 波,这无疑增加了光路设计的复杂性,降低了光波导的传递效率.那么能否在同一块光子晶体中同时实现两种偏振态的光束沿着相同的方向传播呢?我们按照这种想法,设计了一种带部分缺陷的二维光子晶体结构,首次实现了与偏振态无关的自准直传播.本文用有限时域差分法(FDTD)[14]研究了与偏振无关的自准直传播在二维光子晶体中的场分布,比较了TE 和TM 波被调制前后的传播情况,模拟结果表明我们的设计是非常可行而有效的.2.与偏振态无关的自准直本文主要研究了二维正方格子排列的圆柱体系,圆柱半径为R =0 5a ,折射率n =3,背景为空气.这里,a 为晶格常数,整个结构由51 51根密排的介质柱子构成,一个连续点源放置在正中间的一个圆柱内.我们用平面波展开法(PWE M )[15]计算了TE 波和TM 波的能带和等频图,如图1(a),(b)所示,其中,实线代表TE 波,虚线代表TM 波.图1(a)中可以看出,两种偏振的第二能带曲线在频率f =0 290(a / )附近基本上是平行的,它们的群速度v g = k 保持相同的传播方向.频率f =0 290(a / )完全落在TE 偏振的第二能带中,它的等频图是一个规则的圆角正方形,跟正方格子的第第55卷第6期2006年6月1000 3290 2006 55(06) 2760 05物 理 学 报AC TA PHYSIC A SINICAVol.55,No.6,June,20062006Chin.Phys.Soc.图1 (a)为半径R =0.5a ,折射率n =3的介质圆柱构成的二维正方格子光子晶体的能带图.实线代表TE 波,虚线代表TM 波,黑线指示为自准直频率区域.(b)为TE,TM 波在频率f =0 290(a / )的等频图.图中向上箭头表示了群速度的方向图2 调制前(a)TM 波和(b)TE 波在晶体中传播时的场分布(f =0 290(a ))一布里渊区有相似的形状.对于波源发出的不同波矢!的波(除∀M 方向附近外)都具有相同的群速度方向.入射过来的TE 波的群速度都垂直于等频图曲线,因此波的能量沿着相同的[10]方向传播,TE 波能保持很好的自准直(self guilding)特性[10].如图2(b)所示.但是,对于TM 波,情况就比较复杂,它的第三能带比较低,频率f =0 290(a / )一部分处在第三能带,还有一部分处在第二能带.第二能带中频率为f =0 290(a / )的部分在等频图中对应着内部的虚线圆角正方形,保持与TE 波等频图(外部实线圆角正方形)相同的形状.这是同时实现TE 波、TM 波的自准直传播的前提.第三能带中频率为f =0 290(a / )部分则对应第一布里渊区等频图中四角的弯曲虚线部分.正是由于第三能带的影响,使得能量在[10]方向传播时逐渐发散,我们可以清晰的从图2(a)中观察到,在距离波源10a 的地方,TM 波分成了三束:一部分沿着[10]方向传播,其余的则偏离了该方向,向两侧传播.显然,这不能实现TM 波的自准直传播.在不影响TE 波自准直的情况下,为了实现与偏振态无关的自准直,应当设法改善TM 波传播的单向性.为此,我们采取以下两个措施:(1)挖掉[11]方向上邻近点源的四根介质柱子;(2)把[10]方向上与点源最邻近的四根柱子的半径减为r =0 3R ,其余的部分保持不变.措施1是为了减少能量在[11]方向的耦合,从而限制波沿此方向的传播;措施2选择此半径参数则是经过计算发现,在此条件下沿[10]方向的耦合效率最高.我们将在第三部分对此予以验证.经过调制之后,我们用FDTD 模拟了f =0 290(a / )下TE 波和TM 波在这个带有缺陷的二维光子晶体中的传播.结果如图3(a),(b)所示.图3(a)中显示的是TM 偏振态,图3(b)中显示的是TE 偏振态.可以看出,27616期沈晓鹏等:二维光子晶体中与电磁波偏振态无关的自准直图3 调制后(a)TM 波和(b)TE 波在晶体中传播时的场分布(f =0 290(a / ))图4 (a)和(b)分别表示TM 波和TE 波在介质中传播时距源点20a 处场强随时间的变化.虚线和实线分别为调制前、后的情况.较高的两条沿[10]方向,较低的两条沿[11]方向调制后TM 波发生了很大的变化,能量都被约束在[10]方向4a 左右的宽度范围内,表现出较好的自准直特性,而TE 波的自准直特性基本没有受到调制的影响,光束依然沿着[10]方向自准直传播.FD TD 模拟表明,在0 285 0 295(a )的频率范围内,TE 波和TM 波也表现出较好的自准直特性.这样我们就在二维光子晶体中同时实现了TE 波和TM 波的自准直传播,我们称之为全光自准直(full light self collimation).3.无偏振依赖性自准直的数值分析通过分析能带图和等频图我们可以知道,第二能带中f =0 290(a )附近TE 波和TM 波具有相似的等频图,这是它们在光子晶体中能够同时实现自准直传播的主要原因.由于第三能带的影响,使得TM 波在传播过程中会发生分裂.因此,为了实现与偏振无关的自准直,必须解决的关键问题就是尽量消除第三能带的影响.我们对点源附近的结构作了调整,对于调整后的效果我们可以从下面的数值分析中得到清晰的认识.首先我们在[10]方向上距点源足够远的地方(L =20a )放置了一个能量探测器!,其宽度略大于自准直光束宽度.在[11]方向(14 14a ,14 14a )处放置了一个同样的探测器∀.我们检测了调制前后TE 波和TM 波在该位置处的能量变化情况,如图4(a),(b)所示(图中显示强度为同一标准下的约化值).图4(a)显示的是TM 波的情况,虚线表示调制前的情况,实线表示调制后的情况;较高的两条表示沿[10]方向的检测值,较低的两条则分别表示沿[11]方向的检测值.图4(b)显示的是TE 波的情况.对于TM 波,经过调制后不仅在[10]方向实现了自准直(图3(a)中可以清晰的看到这一点),强度也比以前增强了;[11]方向的强度则有稍微的降低,这表明大部分的能量经调制后都约束到[10]方向上来,从而保证了较好的自准直.对于TE 波,在[11]方向强度下降的同时,[10]方向略微减小,这表明调制后TE 波的耦合强度受到了影响.这种影响主要来自于挖去了[11]方向四根柱子,[10]方向柱子的变化对TE 波的影响不是十分明显.2762物 理 学 报55卷为了确定[10]方向的柱子对TE波和TM波的影响,以便更好的实现TE和TM无偏振自准直,我们定量测量了L=20a处自准直光束强度跟柱子半径的关系.结果如图5所示,实线和虚线分别代表TM波和TE波测量值随半径的变化曲线.从图中可以明显看出,TM波对半径有很强的依赖性,在r= 0 30R时自准直光束最强,在0 30R两侧则迅速图5 强度随邻近点源[10]方向上介质圆柱半径的变化曲线. TE(虚线)模式基本不受半径变化的影响;TM(实线)模式在r=0 3R时强度最大,表明在此半径下耦合最强下降.这正是我们选取r=0 3R原因.而TE波基本不受半径变化的影响.通过以上分析,我们就找到了调整光子晶体结构来实现无偏振依赖的自准直的依据,也为今后同时实现TE波和TM波的全光自准直传播提供了一种思路.4 结论通过理论分析和FDTD数值模拟,我们详细地研究了二维光子晶体中TE和TM两种偏振模式的自准直行为.通过适当调整点源附近的晶格结构,可以实现晶体中与偏振无依赖性的自准直,此种现象可以有效提高光源的利用率和光波导的传播效率.通过引入某种缺陷,可以实现全光自准直这样一种思路,也可以用在光弯折、光分束器设计中,以实现全光弯折和全光分束器.这在高密度集成光路中可能发挥很大的作用.感谢复旦大学表面物理国家重点实验室光子晶体课题组资剑教授提供良好学习条件及指导.感谢韩德专、卢志华博士的有益讨论.[1]Yabl onovich E1987Phys.Re v.lett.58259[2]J ohn S1987Phys.Rev.le tt.582486[3]Cheng B Y,Hu W,Yang J H et al1994Chin.Phys.361[4]Liu J T,Zhou Y S,Wang F H et al2004Acta Phys.Sin.533336(in Chi nese)[刘江涛、周云松、王福合等2004物理学报533336][5]Gu P F,Chen H X,Qin X Y et al2005Ac ta Phys.Sin.54773(in Chi nese)[顾培夫、陈海星、秦小芸等2005物理学报54773][6]Li Y Y,Gu P F,Li M Y2005Acta Phys.Sin.543889(i nChinese)[厉以宇、顾培夫、李明宇2005物理学报543889] [7]Ma B Q,Wang T,Sheng Y et al2005Acta Phys.Sin.543670(in Chi nese)[马博琴、王 霆、盛 艳等2005物理学报543670][8]Kosaka H et al1999Appl.Phys.Le tt.741212[9]Wi tz ens J et al2002IEEE Journal o f Selec ted Topic s in QuantumElec tronic s81246[10]Chigrin D N et al2003O pt.Express111203[11]Chen C et al2003O pt.Expre ss113153[12]Yu X e t al2003Appl.Phys.Lett833251[13]Joannopoulous J D et al1995Photonic crystals:Molding the flow o flight(Princeton universi ty Press)[14]Taflove A1995Co mputational Ele ctro dynamics:The Finite_Di ffe renceTime_Domain Method(Bos ton:Artech House)[15]Johnson S G,J oannopoul os J D2001O pt.Expre ss817327636期沈晓鹏等:二维光子晶体中与电磁波偏振态无关的自准直2764物 理 学 报55卷Self collimation of unpolarized electromagneticwaves in2D photonic crystalsShen Xiao Peng Han Kui Shen Yi Feng Li Hai Peng Xiao Zheng Wei Zheng Jian(De pa rtmen t o f Physics,Chin a U ni ve rsit y o f Minin g a nd Tech nolog y,Xu zhou 221008.Ch ina)(Recei ved5Augus t2005;revised man uscrip t received13November2005)AbstractThe self c ollima tion of two polarization statc s of elec troma gnetic waves in two dimensional photonic c rystals is studied by using finite_difference_time_domain(FDTD)me thod.It is proved that self c ollimation can be realized in bo th transve rse electric (TE)field and transve rse magne t ic(TM)field simultaneously by modification of the appropriate photonic crystal struc tures. Analysis and nume rical simulation were carried out.This effect may be important for creating integra ted optical circuits,and for improving the efficienc y of light source.Keywords:photonic crystals,un polarization,self collimationPACC:4270,4210,4280E mial:xiaopengshen@。