一维光子晶体特性分析开题报告.docx

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一维光子晶体特性分析开题报告

宁波理工学院

毕业设计（论文）开题报告

（含文献综述、外文翻译）

题目简单光子晶体的特性研究

姓名汪浩

学号3070431079　

专业班级07通信工程3班

指导教师王卓远　　

分院信息科学与工程分院

开题日期2011年3月15日

第1章文献综述

简单光子晶体的传输特性研究

1.1前言

“光子晶体"的概念是1987年S．John和E．Yabloncvitch分别提出来的[1,2]。

而在当今世界，科学家们在不断研究电子控制的同时发现由于电子的特性，半导体器件的集成快到了极限，而光子有着电子所没有的优越特性：

传输速度快，没有相互作用。

所以科学家们希望能得到新的材料，可以像控制半导体中的电子一样，自由地控制光子。

与此同时随着科学技术的发展特别是制造工艺技术的发展，使得光子晶体的制造不仅变得可能，还得到了长足的进步，在可见光及红外波段可以制成具有所需能带结构的光子晶体，实现对光的控制。

因此近年来光子晶体得到深入广泛的研究与应用。

1.2国内外现状与展望

1.2.1国外

由于光子晶体的特性，在光子晶体刚提出时，就引起了广泛的关注。

在国外很多国家都在研究。

最早提出光子晶体概念的美国，有高等院校、研究所、国家实验中心等许多研究机构在开展这一研究工作，不少研究项目是在军方的资助下进行的。

由于研究时间长、范围广，在各方面取得的成果也是最多的。

自1987年光子晶体概念的提出至90年代初期，这期间的研究主要是集中在光子晶体禁带的理论计算和微波波段光子晶体的实验研究方面。

之后，有关红外波段、可见光波段、微纳米尺寸光子晶体的研究逐步开展起来，并在制作和加工方面取得了一定的突破，为光子晶体应用于各种光学器件及计算机领域奠定了基础[3]。

1997年麻省理工学院的ShanHuiFan等提出的二维光子晶体薄膜技术．将集成电路革命拓展到超宽带光信号领域．可进一步推进光电子学的超小型化。

利用这种技术，加州理工学院的AxelSeherer实验室制作了体积仅为

的激光器[4]。

1999年，Painter等在二维光子晶体中引入点缺陷，实现了光子晶体激光器。

在激光器中加入带缺陷的光子晶体，几乎可以完全避免自发辐射造成的损耗。

大大地降低激光器的阈值。

目前光子晶体激光器的阈值已经降到了

，而研制零阈值激光器则是科学家的目标。

[5]

最近，光子晶体在通信方面的研究也越来越多。

其中光子晶体应用研究中最引人注目的是关于光子晶体光纤的研究。

光子晶体光纤是二维光子晶体的典型代表。

利用光子局域特性。

在二维光子晶体中引入一个缺陷作为光纤核心。

可将光限制在光纤核心中。

1992年，英国Bath大学的Rusell等首次提出了光子晶体光纤概念。

1996年，Russell和同事Knight等人采用堆拉法制造出世界上第一根固体纤芯的光子晶体光纤。

然而，实验发现这第一根光子晶体光纤并没有期望的光子带隙效应。

实现光传输的原理仍为全内反射。

尽管这样，这种光子晶体光纤仍表现出极为不同的性能。

如果将其纤芯尺寸做得足够小，这类光纤将表现出非常明显的非线性特征，具有重要价值。

1999年Cregan在Knight等人工作的基础上，制造出空气纤芯的光子晶体光纤，即光子带隙光纤，这是真正意义上的光子晶体光纤。

此类光纤中的光被限制在空气中传播。

因而具有低损耗、低色散、低非线性效应等特点，其应用前景十分诱人。

光子晶体光纤有许多独特的特性：

无休止的单模传输特性、可控的非线性特性、优异的色散特性以及双折射特性等等：

同时通过光纤物理结构或光纤材料的改变．可以实现光纤的某一特性的改变或者实现某些特性的特定组合。

因而光子晶体光纤在能量传输、光纤通信、光纤激光器、光纤传感及超连续谱的产生等方面得以广泛应用。

并对有关的理论和技术产生了重要的影响。

2001年，英国Bath大学Wadsworth等人实现了双包层光子晶体光纤结构。

实验中发现，双包层光子晶体光纤存在随机散射中心，说明纤芯中存在着缺陷，有待进一步完善光子晶体光纤的结构。

2002年，日本Norihiko等人以锁模掺Er3+光纤激光器为泵浦源，得到波长调谐范围为0.78-0.90μm的孤子脉冲，脉宽为55fs，所用PCF芯径为1.7μm，零色散波长大约在0.69μm处。

2003年1月，Wadsworth等人报导了利用大面积空气包层PCF研制的高功率PCF激光器。

2004年初，Blaze曾发布了一款新型PCF，该光纤是针对Nd3+微芯片激光器特别优化设计的，可产生超连续光谱，这种光谱可在单模光纤中产生一个宽带输出，光谱亮度超过太阳10000倍。

Blaze表示利用微芯片激光器和PCF可获得高性能光源，将会取代Lamp和超高亮度LED等传统的宽带光源。

2005年，英国Bath大学A.Ortigosa和Blanch等人用200fs的泵浦脉冲在PCF中产生了超连续谱，日本电报电话公司T.Yamamoto等人用波长1562nm、脉宽2.2ps、重复频率40GHz的光脉冲注入到200m长的色散平坦的PCF中，在1550nm区域产生了超过40nm的均匀超连续谱，而美国Rochester大学Z.M.Zhu等人利用丹麦CrystalFiberA公司低双折射、高非线性PCF获得600～1000nm的超连续谱。

[6]

1.2.2国内

我国自90年代中期以来，也有一些初步的研究工作。

十多年来，在光子晶体的相关理论与实验研究方面均已取得了不少进展。

然而，由于我国对光子晶体的研究起步比较晚，目前研究还主要集中在光子晶体带隙特性的理论分析和计算上。

国内对光子晶体的研究，起初主要局限于从事凝聚态物理研究的几所高校，如南京大学、复旦大学、浙江大学等。

由于这些单位长期从事固态结构的研究，所以得到的信息也早，不过，他们主要的研究工作也仅仅局限于光子晶体带隙特性的理论分析和计算上。

近几年，我国对光子晶体的研究已经开始逐步向实验验证和实际应用的方向靠拢，并且逐渐升温。

随着国外在光子晶体方面研究工作的迅速升温，这在国内也引起了强烈的反应。

在这一方面，获得国家自然科学基金资助的研究项目逐渐增多，所资助的领域涉及光子晶体的理论研究、制备和应用等多个方向。

浙江大学的光与电磁波研究中心在何赛灵教授的带领下，对光子晶体密集波分/复用器以及新型天线进行了研究，取得了相当丰富的成果[7,8]。

国防科技大学也展开了光子晶体光学器件、微波电路和微带天线等方面的研究。

中国科学院物理研究所顾本源研究员及其领导的小组，在光子晶体带隙研究方面也取得富有创意的结果。

曾先后在PhysicalReviewLeaers，PRB，Eur．Phys．J．B，JAP等国际重要物理学杂志上发表了多篇论文，研究成果处于国际先进水平。

复旦大学应用表面物理国家重点实验室剑教授，提出了光子带隙材料异质结构和量子陷阱结构以及可以用二维光子带隙材料来制作的偏振器等。

他们开展了光子带隙材料在国防科技上的应用，从理论上证明了光子带隙材料制作红外隐身材料的可行性等[9]。

清华大学和北京大学联合教育部量子信息与量子光学与原子光学课题组是国内较早进行光子晶体研究的单位之一。

他们提出了各向异性光子晶体中光子多重能隙的概念，发展了处理非线性光子晶体中的数值方法。

在光子晶体中原子辐射性质的研究中，提出了求本征解束缚态的方法，讨论了原子、原子链的自发辐射以及受激辐射等链子光学问题[10]。

上海交通大学、同济大学、东南大学、中国科技大学、南京邮电大学、山东大学等高校以及上海光机所、上海微系统所、长春光机所、长春物理研究所等其他一些研究单位，都在光子晶体研究方面取得了令人瞩目的成果。

然而，相对于国外的研究情况而言，由于国内对光子晶体开展研究的起步晚，投入力度也较小，目前取得的一些成果也仅仅限于基础研究方面，与国外相比还存在较大的差距。

2004年，清华大学研究人员理论上计算了PCF的色散值，所选择PCF结构参数为：

空气孔间距为0.8μm，空气孔直径与空气孔间距之比是0.835。

计算得到在1.55μmPCF的色散值可以达到-2050

，可以补偿120倍长度的G.652光纤（17

），可以补偿240倍长度的G.655光纤（8.2

），从而大大缩短了色散补偿光纤的长度。

PCF的色散补偿作用在高速率、大容量、远距离的WDM系统中将会具有极大的应用价值[6]

从国内外现状分析光子晶体是一门正在蓬勃发展的、很有前途的新学科，它吸引了包括经典电磁学、固体能带论、半导体器件物理、量子光学、纳米结构和材料科学等领域的科学家，论文数目呈指数增长。

光子晶体从八十年代末提出发展至今，取得很大的成就。

如今，人们对波受到周期性调制的研究已超越光子晶体。

声波、等离子体波、磁子波等受到周期调制后出现带隙等新现象。

其它的波，如极化子、自旋波、水波等都值得研究，会出现新物理现象，有可能发现新的应用。

基于光子晶体器件的研究是一个具有重要应用前景的研究课题。

1.3面临问题

在光子晶体的研究主要根据其于电子运动的规律相似这一点，我们借用的理论很多都是固体物理学中的概念和方法来讨论光子晶体的运动规律。

但有一点必须明白：

光子晶体和晶体在本质上是不同的。

在光子晶体研究方法上主要采用特性传输矩阵法，平面波展开法，球面波展开法、有限时域差分方程法和N阶（Order-N）法等。

这些方法各有优缺点。

传输矩阵法简单实用，但是传统的传输矩阵法简化了非垂直入射以及多重散射的情况。

平面波展开法是光子晶体理论分析中应用最早、最广的一种方法。

在计算光子晶体光子能带结构时，平面波展开法直接应用了结构的周期性，将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间，将能带计算简化为对代数本征值问题的求解。

应用超级元胞技术，平面波展开法也可以推广到分析光子晶体的局域态和光子晶体波导本征模特性上。

这两种方法均用到了介质分布的周期性，且只考虑了单色光的传输，属于谱域的方法。

但对于实际的光子晶体，在三个方向上均可能是有限的并可能存在各种缺陷。

这两种方法就不是很好了。

时域有限差分方法（简称FDTD）可以让我们很容易弄明白光在光子晶体的传输过程，而且时域有限差分方法表达简明，容易理解。

N阶（Order-N）法是引自电子能带理论紧束缚近似中的一种方法。

上述的光子晶体理论分析方法，只是在给定光子晶体的结构组成后，才能定性或者定量地得出准确的结论。

虽然我们知道有几个参量，如介电常数比、填充比、晶格结构等这些参量对光子晶体禁带有影响，但是到底是什么物理机制在光子禁带的形成中起了决定性作用,我们还不是很清楚。

也就是说我们很难从物理上定性、定量或半定量得分析和设计光子禁带。

第2章开题报告

简单光子晶体的传输特性研究

2.1选题的背景与意义

光子晶体当用不同的介电常数的介电材料来构成一个周期性的结构的话，我们会发现由于布拉格散射的影响，在其中传播的电磁波就会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带（photonicband）。

光子能带之间可能出现的带隙，即光子带隙（photonicbandgap，简称PBG）。

对于那些频率落在光子带隙中的光子，在某些方向上是被严格禁止传播的。

这些特性使得光子晶体的运用变的是十分广泛，它能以全新的理论制作出以前没有的高性能器件:

比如高性能反光镜，太阳膜，光子晶体光纤。

所以研究光子晶体有很重要的意义。

随着科学家们对光子晶体的研究，他们发现光子晶体的运动规律与电子在固体晶体中的运动规律有些类似，因此，科学家们借用了很多固体物理学中的概念和方法来讨论光子晶体的运动规律，这为光子晶体的研究提供了很多成熟的理论和方法。

但是需要说明的是，光子晶体和晶体在本质上是不同的[11]。

2.2研究的基本内容与路线

2.2.1基本内容

光子晶体有两个主要的性质，分别是光子带隙和光子局域特性，它们是光子晶体应用的基础。

光子带隙是光子晶体的一个最基本的特性。

在具有完全带隙的光子晶体中，频率落在带隙中的光子是被完全禁止传播的。

在半导体晶体中原子排布的晶格结构产生的周期性电势场影响着在其中运动的电子的性质。

由于原子的布拉格散射，在布里渊区的边界上能量变得不再连续，因而出现了电子带隙。

而在光子晶体中，由于介电常数在空间的周期性变化，也存在类似的周期性势场。

当介电常数变化幅度较大且与光的波长可以相比拟时，介质的布拉格散射也会产生带隙，即光子带隙。

相应于此带隙区域的那些频率的光，在某些方向上是被严格禁止传播的。

在光子带隙内，不存在任何电磁波传播的模式，这将显著地改变光与物质相互作用的方式，其中最引人瞩目的是原子和分子的自发辐射。

光子晶体的另一个主要特征是光子局域，当光子晶体中引入杂质或缺陷后，晶体原有的周期性会被破坏，从而有可能在光子晶体带隙中出现频宽极窄的缺陷态。

和缺陷态频率吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦偏离缺陷位置，光就会迅速衰减。

引入平面缺陷，则可以作平面波导或半面谐振腔。

根据组成光子晶体的介质在空间构型上的不同，可以把光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。

介电常数在空间一个方向上具有周期性结构的光子晶体称为一维光子晶体。

一维光子晶体是由两种或多种介电常数不同的电介质按照某种形式在空间交替排列而成，每种电介质的厚度都有一定的规律，在结构上与传统的多层介质膜系统类似，。

由于一维光子晶体结构上比较简单且容易制备，因而一维光子晶体仍然具有较高的研究意义和应用价值。

介电常数在空间两个方向上有周期性结构的光子晶体称为二维光子晶体。

二维光子晶体的介电常数在第三个方向上是均匀分布的。

二维光子晶体的介质的横截面存在着许多种结构方式，有矩形（包括正方形）、三角形（包括正六边形）等结构。

排布的晶体截面形状不同，所获得的光子频率带隙的宽窄也不同。

一般说来，矩形截面结构的光子频率带隙范围较窄，三角形结构的光子频率带隙相对较宽。

我们熟知的光子晶体光纤和光子晶体波导是二维光子晶体的两种特例。

对于介电常数在三个方向上都具有周期性结构的光子晶体则称为三维光子晶体。

三维光子晶体有可能具有全方位的光子带隙即完全光子带隙，落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。

目前被证实的几种可能产生全方位光子带隙的光子晶体结构有：

面心立方结构（FCC）、原木堆积结构、反蛋白石结构（inverseopal）和矩形螺旋结构。

三维光子晶体的这一特性有着重要的应用前景。

但是，在制作工艺上，相比一维和二维光子晶体来说，三维光子晶体的制作要复杂的多，并且对材料和设计加工的要求也要高很多。

图2.1一维二维三维光子晶体

2.2.2研究的方法

目前对光子晶体的传输模型有许多，如特性传输矩阵法，平面波展开法，球面波展开法、有限时域差分方程法和N阶（Order-N）法等。

传输矩阵法是研究一维晶体常用的方法。

一维光子晶体是由不同材料构成的周期性结构，这一点与传统的光学薄膜中的高反射膜极为相似。

光子晶体的概念来源于固体物理中的周期结构思想以及电动力学中的电磁场理论，从光子晶体概念出发，从理论上可以指出禁带出现的位置和禁带的宽度，利用掺杂可控制能带的位置、宽度及禁带中缺陷模的产生，一般通过能带结构分析，用矩阵光学来验证设计，所以由光子晶体的概念可以从全面的角度和理论的高度来设计具有良好光学特性的多层膜系。

虽然光子晶体与多层膜系统在定义上略微有些差异，我们却可以用薄膜光学的特征矩阵法来讨论光在一维光子晶体中的传播。

[12]

图2.2一维光子晶体膜上的场

在薄膜光学中，每层介质的特征矩阵是：

（2.1）

M为基本周期的归一化特征矩阵，它决定了电磁波，光波在介质中的传播特性。

对于有限层介质（如n层介质）组成的光子晶体，可以求M矩阵的n次连乘来得到整个介质的特征矩阵。

=

（2.2）

对于具有n个周期性结构重复组成的一维光子晶体，其特征矩阵为M′=M

。

光子晶体的禁带特性由特征矩阵M′所决定根据M′矩阵，也可以得到一维光子晶体的反射系数r和折射系数t，分别为

r=

=

（2.3）

t=

=

（2.4）

反射率为R=r*

为r的共轭形式，同理，透射率为T=

FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分化。

利用蛙跳式（Leapfrogalgorithm）空间领域内的电场和磁场进行交替计算，通过时间领域上更新来模仿电磁场的变化，达到数值计算的目的。

利用差分近似来实现微分形式的麦克斯韦方程组中旋度方程里的微分运算。

在光子晶体理论计算的具体应用时，它是先定义初始时刻的一组场分布，然后根据周期性边界条件，利用麦克斯韦方程组求得场随时间的演化，最终解得光子晶体的能带特性。

有限时域差分方法不但能计算光子晶体介质结构的能带关系，同时也能计算金属结构的光子晶体能带关系（平面波方法不能计算金属光子晶体能带）。

我们还可以结合理想匹配层（PerfectlyMatchedLayer）技术，利用有限时域差分方法计算和处理光子晶体Anderson局域态、光子晶体波导本征模的特性、光子晶体表面模的特性等一系列问题。

具体模拟过程：

建立空间网格体系，选定空间时间步长，将麦克斯韦方程时间、空间微分变为差分，进行迭代求解。

平面波展开法是光子晶体理论分析中应用最早、最广的一种方法就。

在计算光子晶体光子能带结构时，平面波展开法直接应用了结构的周期性，将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间，将能带计算简化为对代数本征值问题的求解。

应用超级元胞技术，平面波展开法也可以推广到分析光子晶体的局域态和光子晶体波导本征模特性上。

N阶（Order-N）法是引自电子能带理论紧束缚近似中的一种方法。

其中基本思想是：

从定义初始时间的一组场强出发，根据布里渊区的边界周期性条件，利用麦克斯韦方程组可以求得场强随时间的变化，从而解得系统的能带结构。

具体的作法：

通过傅里叶变换先将麦克斯韦方程组变换到实空间，用差分形式简约麦克斯韦方程然后再作傅里叶变换，最后将其变换回实空间，得到一组被简化了的时域有限差分方程。

这样，原方程就可以通过一系列在空间和时间上都离散了的格点之间的关系来描述，计算量就大大降低了，只与组成系统的独立分量的数目N成正比。

在处理Anderson局域和光子禁带中的缺陷态等问题时，计算量就急剧增加，此时用传输矩阵方法比较方便。

带有缺陷的光子晶体在激光或光学回路中有广泛的应用。

计算有单点缺陷、多点缺陷、线缺陷以致表面态的光子晶体能带时，可以用超级元胞法进行平面波展开。

当光子晶体中有多种缺陷时，可采用格林函数法[13]。

2.2.3运用的软件EastFDTD

我们将采用FDTD的方法对光子晶体特性进行深入的研究。

FDTD以Yee网格为空间电磁场离散单元，将麦克斯韦旋度方程化为差分方程，然后在时间轴上逐步推进地求解。

时域有限差分方法的思想，就是利用差分近似来实现微分形式的麦克斯韦方程组中旋度方程里的微分运算。

在光子晶体理论计算的具体应用时，它是先定义初始时刻的一组场分布，然后根据周期性边界条件，利用麦克斯韦方程组求得场随时间的演化，最终解得光子晶体的能带特性。

有限时域差分方法不但能计算光子晶体介质结构的能带关系，同时也能计算金属结构的光子晶体能带关系（平面波方法不能计算金属光子晶体能带）[14,15]。

我们还可以结合理想匹配层（PerfectlyMatchedLayer）技术，利用有限时域差分方法计算和处理光子晶体Anderson局域态[16]、光子晶体波导本征模的特性[17]、光子晶体表面模的特性等一系列问题。

具体模拟过程：

建立空间网格体系，选定空间时间步长，将麦克斯韦方程时间、空间微分变为差分，进行迭代求解。

因此我们选用了EastFDTD软件。

EastFDTD作为国内自主研发的首款基于FDTD算法并结合物态方程的全矢量三维电磁模拟仿真软件，可广泛用于模拟可见光、红外、微波、电磁波、激光、LED等各种光/电磁现象，并揭示其内在规律和机制，是光电/电磁器件设计和优化、科学研究和教学等领域的必备工具。

EastFDTD考虑真实材料的性质，在色散模型、增益模型和各向异性模型上做了很大的创新，保证了真实的物理本质和数值稳定性，同时其在算法、边界条件等方面进行了大量的创新，使软件的多项速度指标达到或超过国际著名软件。

EastFDTD可以计算多层膜结构、光栅结构、slab结构等，并支持市场上其它软件普遍不能支持的几乎所有的光学材料，例如增益材料、饱和吸收材料、各种非线性材料、强色散材料、金属材料和特异介质等。

由于我们采用的是具有严格物理意义的色散模型，如杜鲁德模型、洛伦兹模型和各种复杂物态方程模型等，EastFDTD不仅仅可以模拟各种非活性（passive）器件，也可以模拟各种的光/电磁活性（active）器件，例如：

激光激射过程和稳定态（单模、多模等）、荧光材料（包括放大自发辐射ASE）、探测器（饱和吸收）等器件，还可模拟很多动态过程，例如各种非线性开关（包括孤子）和光/电磁器件（例如雷达）对电磁波的响应过程。

我们在建立各种模型中严格的遵守物理限制，例如能量守恒，EastFDTD保证了非常好的数值稳定性。

EastFDTD支持全空间三维FDTD仿真模拟。

对于2D平面的仿真模拟，两个偏振模式可以同时进行，一次计算即可得到两个偏振模式的结果。

EastFDTD内建了多种自由度很大的基本形状，通过不同结构之间的组合、覆盖，可以描述各种复杂不规则结构的物体以及周期性结构。

还可以通过脚本生成无序体系、螺旋结构、折射率渐变结构等等。

EastFDTD支持点光源、理想平面波和高斯光束等光源类型，可设置不同的幅度时间函数，如连续光源，高斯脉冲、阶跃脉冲等，此外还支持从外部文件导入幅度时间函数。

EastFDTD可以记录指定点的场值随时间的变化，可以导出指定时间（系列）的截面的瞬时场，也可以记录指定截面的某场量的统计值随时间的变化。

同时，还支持导出整个计算区域的场数据。

所以，EastFDTD的软件能满足我们的需求。

2.3研究的总体安排与进度

起始日期

进度目标要求

2010.12.25～2011.01.30

明确毕业设计任务及其要求，查询和搜集相关资料，做好毕业设计的前期准备工作。

2011.02.01～2011.03.15

查看文献，撰写开题报告、文献综述以及进行外文翻译。

2011.03.16～2011.04.15

对简单光子晶体传输特性进行分析，研究EastFDTD软件对简单光子晶体传输特性计算和毕业论文初稿

2011.4.15～2011.05.10

修改完善论文

2011.05.10～2011.06.10

修改论文格式定稿，准备论文答辩

参考文献

[1]JohnS．Stronglocationofphotonsincertaindisorderdielectricsuper-lattice[J].Phys．Rev．Lett．，1987，58（23）：

2486-2489.

[2]YablonovichE．InhibitedspontaneousemissioninSolidstate[J]．Physicsandelectrics．Phys．Rev．Lett．，1987，58（20）：

2059—2061.

[3]茹宗玲.光子晶体结构制备技术和应用进展[J]．电子元件与材料，2002，2l（9）：

17-20.

[4]张明理，李永安，贺毅．光子晶体的发展历程与前景[D]．延安职业技术学院学报，2009,23（3）：

95-97．

[5]PainterO.，LeeR.K，SehererA，eta1．Twodimensionalphotonicbandgapdefectmodelaser[J].Science，1999，284（5421）：

1819-l821.

[6]盛广沪，李鸿，高跃