一種線性漸變光子晶體結構與性質的研究.pdf

1、光子晶體是介電常數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電子晶體的眾多不足，因此這種材料在眾多領域都備受關注。有關光子晶體的理論研究和制備技術已取得了重大突破，一些研究成果也已得到應用。但是，光子晶體在實際應用中還面臨著諸多挑戰(zhàn)，一些結構的特性還是存在不足之處，不能滿足實際工程應用的需求。本論文就是在傳統光子晶體研究的基礎上進行了一些有益的探索和嘗試。
　　本文使用軟件中的波導模型，根據有限元分析法對一種線

2、性漸變結構的光子晶體進行比較系統的研究。通過計算模型的S21參數對結構的帶隙寬度和禁帶特性進行了分析。主要研究內容和結論如下：
　　一、選用傳統正四邊形點陣結構為模型，由硅和聚乙烯組成的二維光子晶體結構。主要計算了介質柱半徑為0.12a、0.15a、0.2a和0.225a的四種結構模型，通過對帶隙相對寬度的對比研究發(fā)現：在介質柱半徑為0.15a附近時相對帶隙寬度達到最大，且當介質柱半徑在這里有一定的可調范圍，帶隙相對寬度比較穩(wěn)定；

3、對于這種結構，介質柱半徑和介電常數引起的點缺陷，對帶隙特性具有相似的影響。但研究發(fā)現，這種結構無論是改變占空比還是介電常數之比，都不能將相對帶隙寬度提高到一定的水準，這便減小了它的實用價值，但為我們進一步優(yōu)化設計奠定了基礎。
　　二、為了得到相對帶隙寬度大、且性能優(yōu)越的光子晶體結構，提出了一種在電磁波的傳播方向上線性漸變的結構，柱體半徑以 r0為基準半徑，其兩邊的柱體半徑依次為0rn?r?n?遞增或遞減。通過與傳統的正四邊形點陣結

4、構進行對比研究可知：在相同材料配置情況下，該漸變結構可以將光子晶體的相對帶隙寬度提高近100％；漸變步長和結構的相對帶隙寬度密切相關，當變化步長在0.05附近時相對帶隙寬度較大，且有一定的可調范圍；在某些變化步長時，帶隙中出現了類似于缺陷產生的諧振峰，這與改變了晶體的結構對稱性有關。
　　三、針對論文中提出的二維線性漸變結構，改變結構的介電常數之比，選用空氣和硅組成的漸變結構進行結論驗證。通過研究發(fā)現：改變介電常數之比，該漸變結構

5、仍能大幅提高相對帶隙寬度，并且具有較強的穩(wěn)定性。研究結果表明，這種漸變結構對相對帶隙寬度的提高具有普遍性，有望在微波、電子元件等領域得到應用。
　　綜上所述，本文主要針對二維光子晶體的相對帶隙寬度和穩(wěn)定性進行了計算分析，設計了一種能夠大幅度提高二維光子晶體相對帶隙寬度的二維漸變結構，并通過計算分析對預期的結果進行了驗證。從理論設計到計算分析，研究的內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)律性的結果。本研究結果在實際工程