一维光子晶体comsol

简单六方结构二维光子晶体能带的COMSOL模拟

北京东之星应用物理研究所

伍勇 1.引言

COMSOL携带的案例库里，其中一篇(以下简称< Bandgap >)对砷化镓简单正方格子2D光子能带进行了完整计算和研究。本文将程序用于简单六方结构，并将结果在此做一介绍。

?2. 关于 Floquet (弗洛盖） 波矢kF

这是入门COMSOL光子晶体能带模拟的重要概念，在另一案例中，在Floquet周期性边界条件一段写明：

??????i(k?d)由此我判断Floquet 波矢就是Bloch（布p(x)?p(x?d)e洛赫）波矢,但“帮助”文档中有：

?????kF?ksin?1(a1cos?2?n?a1sin?2)，以正格子基矢a1,a2表示

（其文没有任何几何插图和物理说明），使我决定必须在六方格子中选择矩形单胞作为周期单元，以使计算机程序能够运行我的几何方

单层掺杂的一维光子晶体光子杂质模的特性

西北大学学报(自然科学网络版) 2004年11月，第2卷，第11期

Science Journal of Northwest University Online Nov. 2004，Vol.2，No. 11

单层掺杂的一维光子晶体光子杂质模的特性

陈慰宗，付灵丽

（西北大学 物理学系，陕西 西安 710069）

摘要：阐述了掺杂光子晶体和光子杂质模的概念，采用光学特征矩阵方法，通过数值模拟计算讨论了杂质层对光子杂质模特性的影响。计算结果表明，杂质层在一维光子晶体中的位置和杂质层折射率的变化可以极大地改变光子杂质模的透射率、带宽和品质因子。因此，对于具有一定特性的杂质模的光子晶体，其结构参数都有一个最佳的设计方案。

关 键 词：一维光子晶体；杂质层；光子杂质模；特性

中图分类号：O 482.3 文献标识码：A 文章编号：1000-274X(2004)0108-6

在20世纪，由于半导体材料和大规模集成电路的出现，使科学技术获得了突飞猛进地发展。但是，随着电路集成度和处理速度的提高，出现了许多新的、难以解决的问题。于是，科学家们开始专注于光子技术的研究，希

光子晶体的制备及应用

王文瀚 12S011029

1 引言

光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。

实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。

当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13

学校代码：10203 研究生学号：091430269

分 类 号：O413.1 密 级： 无

硕士学位论文

一维函数光子晶体的带隙理论研究

Study band-gap theory of one-dimensional

function photonic crystal

作者姓名：王清才 指导教师：吴向尧教授 学科专业：理论物理 学位类型：学术型硕士

2012年6月

吉林师范大学硕士学位论文

摘 要

光子晶体是有两种或两种以上的折射率不同的介质层周期性排列所构成的人工材料。目前，对于光子晶体理论的研究已经比较成熟，各种以光子晶体作为材料器件也被相继提出，实验方面也制作出许多具有不同性能的光子晶体。但是对于一些特殊类型的光子晶体的研究还需要更进一步的深入，因为这些特殊类型的光子晶体具有传统的光子晶体所不具有的一些特性，这些特性能够进一步的满足人们对于光子晶体器件性能的实际需要，具有非常重要的应用价值。

本文研究一种特殊类型的光子晶体：一维函数光子晶体，它的两个介质层的折射率是随空间

光子晶体光纤

摘要：光子晶体光纤由于其特殊的周期性结构，区别于传统的光纤，而具有无截止单模传输、可调节色散、高双折射、偏振控制、大的有效面积单模运转和小的有效面积高非线性等特性及其广泛的应用前景，成为当前国内外研究的热门课题。本文主要介绍光子晶体光纤的基础知识，并介绍利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟仿真光子晶体光纤中传输时各种模式的场分布以及有效折射率。为以后的进一步研究打下基础。 关键词：光子晶体光纤 COMSOL Multiphysics

一 光子晶体与光子晶体光纤 1.1 光子晶体

光子晶体是一种折射率变化周期为光波长量级的具有光子禁带的人工材料。最早的光子带隙思想由E.Yablonovitch和S.John提出。当电磁波在光子晶体中传播时，具有透射、反射和折射，电磁波受到电子周期性布拉格散射的调制，形成类似于电子的能带结构，我们称之为光子能带。在晶格常数与介电常数的比值取值适当的情况下，光子能带与电子能带相似。光子能带间可能存在禁止某些频率电磁波的频率区域，我们将这些频率区域命名为光子带隙，这是光子晶体最根本的特征。因此人们又将光子晶体称为光子带隙材料。

光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点（

介绍慢光的进展

Ｖ０１．４４，Ｎｏ．１０

光子晶体

０ｃｔ２００７

光予晶体波导慢光技术

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｌｏｗＬｉｇｈｔｉｎＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ

Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ

掌蕴东翁文喻波袁萍

ｆ哈尔滨Ｉ：业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨ＺＨＡＮＧＹｕｎｄｏｎｇ，ＷＥＮＧＷｅｎ，ＹＵＢｏ，ＹＵＡＮＰｉｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙ

Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ

ｏｆＴｕｎａｂｌｅＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｍｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

ｏｆ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｈａｒｂｉｎ１５００ｓ０）

摘要介绍了光子晶体波导中慢光产生的基本原理，指出目前慢光传输的主要测量手段及热点研究问题，对

三种常见的光子晶体波导优化结构进行了简单介绍。

关键词光子晶体；慢光；波导；光延迟线

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

ｏｆ

ｓｌｏｗａｎｄ

ｌｉｇｈｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓ

ｏｆｓｌｏｗ

ｉｎ

ｐｈｏｔｏｎｉｃｌｉｇｈｔ

ｃｒｙｓｔａｌ

ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ

ａｒｅ

ｉｓ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｍａｉｎ

ｉｍｐｒｏｖｅｄ

ｍｅａｓｕｒｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄｓ

ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ

ａｒｅ

ｐｏｉｎｔｅｄ

ｏｕｔ．Ｔｈｒｅｅ

ｃｏ

介绍慢光的进展

Ｖ０１．４４，Ｎｏ．１０

光子晶体

０ｃｔ２００７

光予晶体波导慢光技术

ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳｌｏｗＬｉｇｈｔｉｎＰｈｏｔｏｎｉｃＣｒｙｓｔａｌ

Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ

掌蕴东翁文喻波袁萍

ｆ哈尔滨Ｉ：业大学光电子技术研究所可调谐激光技术国家级重点实验室，哈尔滨ＺＨＡＮＧＹｕｎｄｏｎｇ，ＷＥＮＧＷｅｎ，ＹＵＢｏ，ＹＵＡＮＰｉｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙ

Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ

ｏｆＴｕｎａｂｌｅＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｍｉｃｓ，Ｈａｒｂｉｎ

Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ

ｏｆ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｈａｒｂｉｎ１５００ｓ０）

摘要介绍了光子晶体波导中慢光产生的基本原理，指出目前慢光传输的主要测量手段及热点研究问题，对

三种常见的光子晶体波导优化结构进行了简单介绍。

关键词光子晶体；慢光；波导；光延迟线

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｅ

ｍｅｃｈａｎｉｓｍ

ｏｆ

ｓｌｏｗａｎｄ

ｌｉｇｈｔｇｅｎｅｒａｔｅｄｐｒｏｂｌｅｍｓ

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ｃｒｙｓｔａｌ

ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ

ａｒｅ

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ｉｍｐｒｏｖｅｄ

ｍｅａｓｕｒｉｎｇ

ｍｅｔｈｏｄｓ

ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ

ａｒｅ

ｐｏｉｎｔｅｄ

ｏｕｔ．Ｔｈｒｅｅ

ｃｏ

光子晶体理论与器件课程背景

关键词：光子晶体，禁带，晶体，材料，光子学

Key words: photonic crystals, band gap, crystals, materials, photonics

1 光子晶体概念的历史由来

光子晶体的概念首先由光子晶体的概念是在1987年分别由S. John[1] 和E. Yablonovitch[2] 各自独立提出。20多年来，光子晶体的理论和应用研究在全世界掀起了一股热潮，取得了一系列重要进展，已经发展成为一个世人瞩目的学科。光子晶体作为一种新型的光子器件材料，能够控制光子的运动，在提高发光二极管的发光效率，改善太阳能电池的光电转换效率，制作体积仅为光波波长的立方的数量级的微型激光器，实现无阈值激光振荡，控制原子的自发辐射，制造高增益、低损耗的天线，高增益光子频率滤波器，光子晶体空间波滤波器，光子晶体功率分配器/合成器，光子晶体相位补偿器、相移器，光子晶体偏振分离集成光路，光子晶体传感器，光子晶体负折射率器件，光子晶体自准直器件，光子晶体光束成形，光子晶体微透镜，光子晶体光脉冲压缩器件，光子晶体平板波导，光子晶体定向耦合器，光子晶体光纤，光子晶体非线性器件，光子晶体超连续谱产生，光子

光子晶体在微波领域中的应用

光子晶体的一个实际应用是在微波天线方面。微波天线在军事及民用方面都有很多可以发挥的领域。如卫星电视、雷达探测等等都要广泛利用。然而传统的微波天线制备方法是将天线直接制备在介质基底上，这样就导致大量的能量被天线基底所吸收，因而效率很低。

例如，对一般用GaAs（钙、砷）介质作基底的天线反射器，98%的能量完全损耗在基底中，只有2％的能量被发射出去，同时造成基底的发热。但是光子晶体的发现给此领域带来了福音。如针对某微波频段可设计出需要的光子晶体，并让该光子晶体作为天线的基片。因为此微波波段落在光子晶体的禁带中，因此基底不会吸收微波，这就实现了无损耗全反射，把能量全部发射到空中。

第一个以光子晶体为基底的偶极平面微波天线1993年在美国研制成功。

手机的辐射防护

手机是一个小型的、但能量极强的电磁波发生器，其工作频率在890MHz—965MHz，辐射出的电磁波对人体细胞具有极强的致畸作用。手机在使用过程中，这种电磁波始终围绕着人的头部。长期、高频率使用手机，会造成正常脑的支持细胞——胶质细胞DNA分子链的电离损害，导致DNA碱基分子链的断裂，引起细胞的癌变。在—般情况下，人体内正常的免疫监控系统，

光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S]

英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业 凝聚态物理 关键词 光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要 光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学 特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分 析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制 备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了 数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进 行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程