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电子科技大学光电信息学院

课程设计论文

课程名称

题目名称 物理光学 一维光子晶体特性研究

学号，姓名 2014050104029 伊海 2014050104003 李林泽 2014050104008 汤迅

指导老师 韦晨

起止时间

2017年 1 月 09 日

2016.12.15---2017.1.10

《物理光学》课程设计——一维光子晶体的特性研究 摘 要 光子晶体（photonic crystals）是一种具有周期性介电常数的介电结构。由折射率的周期性排列的空间维度不同，分为一维，二维和三维光子晶体，其周期性和光的波长为同一个数量级。光子晶体也被称为光子带隙材料（photonic band gapmaterials）。光子晶体具有很多奇特的性质：光子带隙特性，自辐射的抑制，光子双稳态特性，光子局域特性等。其中最重要的特性就是光子带隙。频率落在光子带隙内的电磁波无法通过光子晶体传播，这为人们设计不同的器件来实现对光的控制提供了可能。由于光子晶体独特的性能和潜在的应用前景，人们对光子晶体的理论分析和实验研究投入了极大的热情，使之成为一个迅速发展的新的科学领域。 本文以一维光子晶体为主要研究对象，深入分析了光子晶体的传输特性，主要内容为： 1.一维光子晶体的概念，结构和特性。 2.一维光子晶体与传统多层光学膜层对比。 3.一维光子晶体的应用(以窄带滤波器为例，说明其工作原理和特性) 关键词：一维光子晶体，光子带隙，光子局域，表面态，传输特性，窄带滤波器 目录： 第一章 一维光子晶体的概念，结构和特性???????????3 1.1一维光子晶体的概念 ????????????????????3 1.1.1光子晶体的概念 ????????????????????3 1.1.2光子晶体的分类 ????????????????????3 1.2一维光子晶体的结构 ????????????????????4 1.2.1 一维光子晶体的结构模型 ????????????????4 1.2.2 一维光子晶体的本征方程 ????????????????5 1.2.3 一维光子晶体结构的主要分析方法 ???????????6 1.3一维光子晶体的特性 ????????????????????7 1.3.1 光子带隙 ??????????????????????7 1.3.2 光子局域 ??????????????????????7 第二章 一维光子晶体与传统多层光学膜层比较 ?????????8 第三章 一维光子晶体的应用 (以窄带滤波器为例，说明其工作原理和特性) 第一章 一维光子晶体的概念，结构和特性 2 《物理光学》课程设计——一维光子晶体的特性研究 1.1光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。 1.1.1光子晶体的概念 光子晶体的概念是1987年Yablonovieth和John分别在讨论周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时，各自独立地提出的。这种材料有一个显著的特点，即它可以如人所愿地控制光子的行为，是可以广泛应用于光电集成、光子集成、光通讯、微波通讯、空间光电技术以及国防科技等现代高新技术的一种新材料，也是为相关学科发展和高新技术突破带来新机遇的关键性基础材料。我们知道，在半导体材料中由于周期势场作用，电子会形成能带结构，带和带之间有带隙。电子波的能量如果落在带隙中，传播是被禁止的。光子的情况其实也非常类似。如果将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列，由于存在周期性，在其中传播的光波的色散曲线将成带状结构，带和带之间可能会出现类似半导体带隙的“光子带隙”(photonic bandgap)。频率落在带隙的光是被禁止传播的。如果只在一个方向具有周期结构，光子带隙只可能出现在这个方向上，如果存在三维的周期结构，就有可能出现全方位的光子带隙，落在带隙中的光在任何方向都被禁止传播。具有光子带隙的周期性电介质结构称为光子晶体(photonic crystal)。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。 1.1.2光子晶体的分类 按照组成光子晶体的介质排列方式的不同，可将其分为一维、二维和三维光子晶体，其空间结构如图1-1所示。 图1-1 光子晶体空间结构 所谓一维光子晶体是指介质折射率在空间一个方向具有周期性分布的光子晶体材料。简单结构的一维光子晶体通常由两种介质交替叠层而成，在垂直于介质层方向上介电常数是空间位置的周期性函数，而在平行于介质层平面的方向上介电常数不随空间位置变化。最初人们认为，由于只在一个方向上具有周期性结构，一维光子晶体的光子带隙只可能出现在这个方向上。然而后来Joannopoulos和他的同事从理论和实验上指出一维光子晶体也可能具有全 3