一维光子晶体全方向反射器的设计

闽江学院

本科毕业论文(设计)

题目一维光子晶体全方向反射器的设计

学生姓名

学号

系别

年级

专业电子科学与技术

指导教师

职称

完成日期2006年5月

目录

文摘 (2)

ABSTRACT (3)

第一章绪论 (4)

1.1 光子晶体的基本概念 (4)

1.2 光子晶体的结构及特性 (5)

1.3 光子晶体的应用 (7)

第二章一维光子晶体的禁带结构及展宽 (9)

2.1 一维光子晶体的禁带结构 (9)

2.1.1 一维光子晶体的特征矩阵 (9)

2.1.2 光在一维光子晶体中的传播 (11)

2.1.3 一维光子晶体禁带的特点 (12)

2.2 一维光子晶体禁带性能分析 (14)

2.2.1光子禁带随周期数及折射率比值的变化 (14)

2.2.2 光子禁带随入射角及偏振状态的变化 (15)

2.3 目前增加禁带宽度的几种方法 (19)

第三章全方向反射器的设计与分析 (21)

3.1理论依据—基于频域叠加扩展禁带的方法 (21)

3.2一维光子晶体全反射器的数值模拟与分析 (23)

3.2.1 正入射时两个一维光子晶体的叠加 (23)

3.2.2 入射角为45 时两个一维光子晶体的叠加 (25)

3.2.3 入射角为89 时两个一维光子晶体的叠加 (28)

3.2.4 三个一维光子晶体的叠加 (31)

总结 (34)

致谢 (36)

参考文献 (37)

文摘

本论文从一维光子晶体的结构特点出发，利用光学传输矩阵等方法证明了一维光子晶体存在着反映光子晶体典型特征的光子禁带，在此基础上通过数值模拟计算分析了一维光子晶体禁带随周期数、折射率比值、入射光偏振状态及入射角的演化特点．

本文在分析全方向反射器基本原理的基础上，通过对一维光子晶体能带的全面分析，提出了一种新的展宽全方向反射带的方法。根据这个方法，我们设计了一个由三个基本一维光子晶体合成的一维结构，得到了较大的全方向反射带。

关键词：一维光子晶体光子禁带全方向反射器

ABSTRACT

The thesis begins with the structured features and mainly discusses the fundamental optical characteristics of finite-period 1D photonic crystal. The thesis gives the demonstration of existence of PBG in 1D crystal with the method of translation matrix. The features of 1D PBG are analyzed by numerical value simulation.The relation between PBG and the structured parameters is discussed on the basis of the demonstration.In addition,the chanracteristics of the PBG evolution with the polarizations and incidence angles are presented.

In this thesis, the basic theory for the omnidirectional reflection in one-dimensional photonic crystals is analyzed. The factors affecting the band width of omnidrectional band gap have been analyzed in detail. Based on these analyses, a new method for the extension of omnidirectional band gap has been developed. This method greatly improves the band width of onmdirectional band gap.

Keywords: one-dimensional photonic crystals; photonic bandgap;

omnidirectional reflector.

第一章绪论

1.1 光子晶体的基本概念

半个世纪以来,通过控制电子运动而发展起来的半导体技术日趋成熟。,半导体的魔力在于它对电子进行的巧妙控制。晶体所具有的天然的周期性结构，使得电子在晶体中的行为能够得到很好的控制。随着社会的发展，人类对信息的需求量越来越大。为了满足这种不断增长的需求，就需要小型化，集成化，处理速度越来越高的电子器件。但是电子器件尺寸的减小却无法有效地降低能耗，高速的器件对外界的干扰也越来越敏感。人们开始感到电子产业发展的极限性,因此迫切需要新的信息传输载体，从而将目光投向了光子.20世纪90年代,S.John和E.Yablonovitch最先提出了用光子代替电子作为信息载体的光子器件---光子晶体这个新概念.光子晶体是一种折射率按一定周期发生变化的人工微结构材料,具有调制材料中光子传播状态模式的能力. 由于光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格中的运动规律相似，光子晶体也具有光子能带和禁带结构。光子禁带的存在产生了许多崭新的物理性质，这在基础研究和实际应用两方面都具有重要意义。光子晶体可以抑制自发辐射。我们知道，自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比。处在光子晶体内部的原子，当它自发辐射的光频率恰好落在光子禁带中时，由于该频率光子的态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射也就被抑制。类似于半导体中的掺杂，在光子晶体中掺入杂质后将在光子禁带中引入新的电磁波模式，称为杂质态。杂质态具有很大的态密度，这样可以实现自发辐射的增强。这将给激光技术和非线性光学带来全新的应用，如制造零阈值的激光器、光滤波器等。

光子是以光速运动的微观粒子，它的静止质量为零而且具有很好的空间相容性，与电子相比，光子具有速度快、彼此之间不存在干扰的优点，因此以光子作为信息及能量的载体有着巨大的优越性。以光子为载体的光子器件将有比电子器件高得多的运行速度，由于光子间的相互作用远小于电子，因而光子器件的能量损耗小、效率高。光子在通常情况下互不干涉，具有并行处理信息的能力，在光计算中可大大提高信息处理的效率。