一種線性漸變光子晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究.pdf

1、光子晶體是介電常數(shù)在三維空間中周期變化的新型功能材料。光子晶體的帶隙特性能夠彌補(bǔ)電子晶體的眾多不足，因此這種材料在眾多領(lǐng)域都備受關(guān)注。有關(guān)光子晶體的理論研究和制備技術(shù)已取得了重大突破，一些研究成果也已得到應(yīng)用。但是，光子晶體在實(shí)際應(yīng)用中還面臨著諸多挑戰(zhàn)，一些結(jié)構(gòu)的特性還是存在不足之處，不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。本論文就是在傳統(tǒng)光子晶體研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一些有益的探索和嘗試。
　　本文使用軟件中的波導(dǎo)模型，根據(jù)有限元分析法對(duì)一種線

2、性漸變結(jié)構(gòu)的光子晶體進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究。通過計(jì)算模型的S21參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的帶隙寬度和禁帶特性進(jìn)行了分析。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　一、選用傳統(tǒng)正四邊形點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)為模型，由硅和聚乙烯組成的二維光子晶體結(jié)構(gòu)。主要計(jì)算了介質(zhì)柱半徑為0.12a、0.15a、0.2a和0.225a的四種結(jié)構(gòu)模型，通過對(duì)帶隙相對(duì)寬度的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)：在介質(zhì)柱半徑為0.15a附近時(shí)相對(duì)帶隙寬度達(dá)到最大，且當(dāng)介質(zhì)柱半徑在這里有一定的可調(diào)范圍，帶隙相對(duì)寬度比較穩(wěn)定；

3、對(duì)于這種結(jié)構(gòu)，介質(zhì)柱半徑和介電常數(shù)引起的點(diǎn)缺陷，對(duì)帶隙特性具有相似的影響。但研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)無論是改變占空比還是介電常數(shù)之比，都不能將相對(duì)帶隙寬度提高到一定的水準(zhǔn)，這便減小了它的實(shí)用價(jià)值，但為我們進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
　　二、為了得到相對(duì)帶隙寬度大、且性能優(yōu)越的光子晶體結(jié)構(gòu)，提出了一種在電磁波的傳播方向上線性漸變的結(jié)構(gòu)，柱體半徑以 r0為基準(zhǔn)半徑，其兩邊的柱體半徑依次為0rn?r?n?遞增或遞減。通過與傳統(tǒng)的正四邊形點(diǎn)陣結(jié)

4、構(gòu)進(jìn)行對(duì)比研究可知：在相同材料配置情況下，該漸變結(jié)構(gòu)可以將光子晶體的相對(duì)帶隙寬度提高近100％；漸變步長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的相對(duì)帶隙寬度密切相關(guān)，當(dāng)變化步長(zhǎng)在0.05附近時(shí)相對(duì)帶隙寬度較大，且有一定的可調(diào)范圍；在某些變化步長(zhǎng)時(shí)，帶隙中出現(xiàn)了類似于缺陷產(chǎn)生的諧振峰，這與改變了晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性有關(guān)。
　　三、針對(duì)論文中提出的二維線性漸變結(jié)構(gòu)，改變結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)之比，選用空氣和硅組成的漸變結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)論驗(yàn)證。通過研究發(fā)現(xiàn)：改變介電常數(shù)之比，該漸變結(jié)構(gòu)

5、仍能大幅提高相對(duì)帶隙寬度，并且具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，這種漸變結(jié)構(gòu)對(duì)相對(duì)帶隙寬度的提高具有普遍性，有望在微波、電子元件等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
　　綜上所述，本文主要針對(duì)二維光子晶體的相對(duì)帶隙寬度和穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，設(shè)計(jì)了一種能夠大幅度提高二維光子晶體相對(duì)帶隙寬度的二維漸變結(jié)構(gòu)，并通過計(jì)算分析對(duì)預(yù)期的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。從理論設(shè)計(jì)到計(jì)算分析，研究的內(nèi)容比較全面的涵蓋了光子晶體的基本問題，得到了一些規(guī)律性的結(jié)果。本研究結(jié)果在實(shí)際工程