用传输矩阵法计算一维光子晶体的带隙特性研究

一维光子晶体带隙特性研究1103011013黄蓓粉体一班摘要：光子晶体是20世纪80年代末提出的新概念和新型人工微结构光学材料。光子晶体以光子禁带的存在为主要特征，其典型结构为一个折射率周期变化的物体。一维光子晶体是光子晶体最基本的构型，其折射率在一维空间方向上呈周期性分布。一维光子晶体结构简单、易于制备，同时具备二维、三维光子晶体的性质，极有可能成为全光通信领域中的关键材料，因此具有较高的理论价值和广泛的应用前景。关键词：光子带隙特征矩阵规律1引言光子晶体是一种折射率周期变化的人工微结构材料,其典型结构为一个折射率周期变化的三维物体,周期为光波长量级.光子在光子晶体中传播存在光子带隙.，频率落在光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播,光子晶体的这种特性具有极大的理论价值和潜在的应用前景。在光子晶体中掺杂后,会在光子能隙中引入局域模式,这将给激光技术和非线性光学等带来全新的应用,如制作零阈值激光器、光滤波器、慢光缓存器、慢光传感器等。理论研究发现，对于含有缺陷的一维光子晶体，在光子禁带（PBG：PhotonicBandGap）的带边和缺陷模对应的频率位置，光的传输具有极低的群速度，Scalorta等人发现在带边处，光脉冲传输速度可以降低到c/17（c为真空中光速），大约为1.76×107m/s。光子晶体的理论计算已相对成熟,本文旨在应用现有的计算方法，建立一维光子晶体模型并讨论一维光子晶体在不同结构参数和参数下的光学传输特性。2方法与原理2.1模型的建立一维光子晶体由两种不同相对介电常量(εa,εb)、厚度(a,b)的薄介质层交替排列构成的一维周期性结构材料.如图1所示,空间周期为d=a+b,一束频率为ω的光从左向右正入射到图中所示的一维周期性结构材料中.dAB将光波在介质层中的行进看作是正向行进电磁波(下行波)和反向行进电磁波(上行波)的叠加.介质交界面处的电磁场满足边界条件.每一介质层与光波的相互作用可由其矩阵完全决定.介质层两边的场矢量EⅠ,HⅠ,EHⅡ的模可用特征矩阵联系起来:EEMHH2.2数学理论推导为行进一步的计算，下面给出光子晶体的特殊矩阵表达式。如图2所示,E0,H0表示界面Ⅰ的na一侧矢量,EⅠ,HⅠ表示界面Ⅰ的nb一侧的场矢量,EII，HII表示界面Ⅱ一侧的场矢量,在界面Ⅰ上有入射光波Ei1、反射光波Er1、透射光波Et1以及由介质nb入射到界面Ⅰ上的光波Er2图3-21DPC结构中任意层的电磁场传播情况以TE模为例展开讨论，对于TE模，电场分量E垂直入射面，根据电磁场边界条件，界面处电场偏振E和磁场分量H的切向分量连续。以En、Hn表示界面n处的电场偏振E和磁场偏振H的切向分量，因为在同一界面两侧，有En-1=En，Hn-1=Hn。对于界面I：111211111222,coscos.irtriiritiriEEEEEHHcosHcosHH（3-2）界面II上EII，HII有类似公式。考察界面I上的透射场Et1与界面II上入射场Ei2：()1100()21011||xzxzbzikxkzttzikxkziikbitzbttEEeEEeEeEe（3-3）式中，12cos()bzbbbbtikhnbc表示，波矢为k的平面波在介质层中垂直横跨两个界面时的相位差，同样，22birrEEe，根据0rHEE，由以上各式得：1cossinsincosbbbbbbEEHHiEH（3-4）式中，200cosbbb，将式（3-4）写成矩阵形式为：cossinsincosbbbbbbiEEHHi（3-5）则对第j层单层介质的传输矩阵为（TE模）：cossinsincosjjjjjjjiMi（3-6）式中，200coscosjjjjjjjhc（3-7）以上计算关系是对于TE模式的，对TM模式可以得到类似于上式的结果，只是在TM模式情况下，020cosiii，若考虑正入射情况（θ=0），则TE模与TM模传输矩阵相同。对于一维周期性结构（图3-1），可逐层应用式（3-6）的传输矩阵方程，对具有N层介质的一维结构：1121111111NNNNNNabaabNNNEEMMMHHEEEABMMMMMMHHHCD（3-8）式中abaabMMMMMM就是一维光子晶体的传输矩阵。分别在第I个界面及第N+1个界面上列电磁场分量方程，并将求得的EI，HI，EN+1，HN+1代入式（3-8），展开可求得透射系数和反射系数：反射系数：0011110011NNriNNABCDErEABCD（3-9-1）反射率：Rrr（3-9-2）透射系数：10100112tNiNNEtEABCD（3-9-3）透射率：Ttt（3-9-4）若1DPC结构置于空气中，则有ηN+1=η0，利用式（3-8）和式（3-9）编程计算可以得到一维光子晶体的反射谱或者透射谱，从而得到其带隙结构。在计算所得反射系数基础上，1DPC结构内部各层电场分布可由式（3-10）计算：22012(,)1()1()kkkEzrMrM（3-10）式中，kijM是从第一层到第k层的传输矩阵元素，根据式（3-10）就可以计算出电场在光子晶体内部各层的电场强度。对于一维光子晶体（1DPC）结构，采用含有缺陷层的两种高低折射率材料A和B交替排列的周期结构，基本周期层（AB）的光学厚度取四分之一波长，缺陷层光学厚度为二分之一波长。在有限一维光子晶体结构中，群折射率定义为：ng=c/vg，可以采用有效折射率方法进行计算：复折射率：()()()effnnik（3-11）其中的实部和虚部由透射系数定义：透射系数：()()|()|itte（3-12）有效折射率实部可写为：()()cnL（3-13）虚部为：()ln|()|cktL（3-14）其中，()为透射率()t的复角，L为有限一维光子晶体结构的总体厚度；这样，群折射率可以写为：()()()gdnnnd（3-15）从而，群速度可以通过下式计算：gcvdnnd（3-16）利用获得的群速度，对于有限长度的一维光子晶体慢光结构，就可以计算光脉冲在其中传输产生的时延。4数据计算与规律研究4.1一维光子晶体周期性情况通过MATLAB编程，采用传输矩阵法可以方便的求出一位光子晶体的的特征矩阵M中的A,B,C,D4个阵元,,即可求出一维光子晶体的带隙结构.通过改变各个参数来谈论光子晶体各参数变对光子晶体禁带宽度和群速度的影响规律。按照上文所述建立一维光子晶体模型，折射率为a，b的两种介质交替构成光子晶体。折射率Na=2.22，Nb=1.41；根据四分之一系统，介质层厚度a=abs(lamd0/4/Na)，b=abs(lamd0/4/Nb)，其中lamd0=1550e-9，空间周期d=a+b；一维光子晶体的空间周期数为10，加上插入缺陷层共21层介质。则通过编程得到一维光子晶体的带隙结构，4.2层数NN对光子晶体性能的影响光子晶体插入缺陷层产生光子禁带，如果改变光子晶体的层数，可以发现随引入缺陷的层数增加，光子晶体禁带的带宽变窄，可以得到的更小的群速度。4.3各介质层折射率对光子晶体性能的影响由4.2的结论知光子晶体的带隙特性与总层数NN有关，但它们的关系不是线性的，于是我们对光子晶体各介质层对其特性的影响进行了研究。4.3介质厚度对光子晶体性能的影响由图13可得出，随着介质a的厚度的增加，群速度和带宽都减小，都近似成线性。由此可知，得到宽的带宽和得到小的群速度是相互矛盾的，所以，要选择合适的a的厚度，从而兼顾带宽和群速度的要求。（2）介质b的厚度对群速度和带宽的影响Na=1.81;Nb=1.41NN=4;2.752.82.852.92.9533.053.1x10-70.4060.40650.4070.40750.4080.40850.4090.40950.410.4105介质b的厚度群速度Vg介质b的厚度与群速度的关系图15一维光子晶体群速度随介质b的厚度的变化曲线由图15可得出，随着介质b的厚度的增加，群速度呈对数增长，而带宽则近似成线性减小。要得到宽的带宽和小的群速度，就需要减小b的厚度。（2）介质d的厚度对群速度和带宽的影响Na=1.81;Nb=1.41;NN=43.23.253.33.353.43.453.53.55x10-70.3960.3980.40.4020.4040.4060.408介质d的厚度群速度Vg介质d的厚度与群速度的关系图15一维光子晶体群速度随介质d的厚度的变化曲线由图15可得出，随着介质d的厚度的增加，群速度和带宽都减小。由此可以得到与a厚度变化相同的规律：宽的带宽和小的群速度是相互矛盾的，所以，要选择合适的d的厚度，从而兼顾带宽和群速度的要求。5结论本文介绍了特殊矩阵法，并利用特殊矩阵法对一维光子晶体的带隙特性的影响因素进行了探究，得出了一系列因素对光子晶体特性影响的变化曲线，为今后光子晶体带隙方面的实际应用提供一定的数据和基础。参考文献：1.王辉、李永平.用特殊矩阵法计算光子晶体的带隙结构.物理学报.20012.赵绪新.二维光子晶体带隙结构的透射特性.量子电子学报.20043.宁学峰.一维光子晶体带隙结构及缺陷模的数值研究.中国科学院上海冶金研究所.20004.一维光子晶体带隙结构研究.太原师范学院学报.2007.35.张曼、潘炜.二维光子晶体带隙及波导慢光特性研究。2009.66夏辉.一维类梳状光子晶体的带结构及缺陷模研究[D]湖南大学,2001.7付灵丽.一维光子晶体禁带及缺陷模光学特性的研究[D].西北大学,2004,8付灵丽.一维光子晶体禁带及缺陷模光学特性的研究[D].西北大学,2004,