單向光子晶體延時波導(dǎo)與硅基寬頻增透膜關(guān)鍵技術(shù)

1、單向光子晶體延時波導(dǎo)與硅基寬頻增透膜關(guān)鍵技術(shù)    光子晶體器件利用帶隙約束導(dǎo)光機制,具有傳統(tǒng)器件所沒有的特性,并且器件尺寸很小,是未來集成光路元件的理想選擇。因此,它們在過去的二十年中得到了廣泛的研究。本文對基于磁光光子晶體的新型光器件單向性光子晶體延時波導(dǎo)以及硅基寬頻增透膜的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,主要包括:設(shè)計了磁光介質(zhì)的有限差分時域法(FDTD)的仿真平臺以及單向的彎曲波導(dǎo),利用平面波展開法(PWE)以及FDTD對提出的單向性波導(dǎo)進行了仿真,并對提出的彎曲的單向性波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和性能進行了系統(tǒng)的分析,從而為單向性光子晶體延時波導(dǎo)的深入研究打下了堅實的

2、基礎(chǔ)。此外本文還提出了分析硅基周期性三角形表面增透膜的反射率理論模型,并在此基礎(chǔ)上得到了更加準確的時域仿真結(jié)果,發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)在非常廣的頻譜范圍內(nèi)都具有很小的反射率,該結(jié)構(gòu)對提高太陽能電池的表面吸收非常具有價值。本論文的主要研究內(nèi)容如下:在緒論中,主要對本課題所涉及的理論基礎(chǔ)和研究背景進行了綜述。首先介紹了光子晶體的基本概念,相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型,以及為了對光子晶體進行研究與計算所需要的理論基礎(chǔ)和頻域的數(shù)值方法,包括本文中求解帶圖的PWE。然后介紹了二維光子晶體的特性以及研究方法,因為二維光子晶體將是本文中主要研究的對象。最后對磁光光子晶體中的點缺陷做了詳細的介紹,同時還詳細論述了在磁光光子晶體形成單向

3、邊緣模的機制,這些都是基于磁光光子晶體設(shè)計單向性波導(dǎo)的重要理論基礎(chǔ)。在第二章中,本章開始講述了使用有限差分時域方法求解麥克斯韋方程組的原理,包括使用YEE網(wǎng)格離散化旋度方程,以及最佳匹配層PML邊界條件的設(shè)置原理。然后介紹MIT開發(fā)的一個開源軟件MEEP的C+源代碼,如其中的頭文件,相關(guān)類的功能。最后在此基礎(chǔ)上修改了相應(yīng)的C+源代碼,使其可以完成對磁光介質(zhì)的仿真。在第三章中,基于最近提出的單向性波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計了一種新的策略來實現(xiàn)延時波導(dǎo)。將一系列完美電導(dǎo)體(PEC)板周期性地引入到單向性直波導(dǎo)中構(gòu)成單向的彎曲波導(dǎo),這些PEC板導(dǎo)致單向模的傳輸時延得到增長,同時引起額外的展寬可以在這些頻率范圍內(nèi)忽

4、略不計。對于固定的中心頻率與帶寬的光脈沖分別為0.56(2c/a)與0.02(2c/a),通過周期性地插入表面光滑PEC板使得兩個觀察點之間觀察到的時延從40.125(a/c)增加至100.95(a/c)。同時這種單向彎曲波導(dǎo)對于其組成部分非磁光光子晶體波導(dǎo)中的線缺陷并不是很敏感。這些優(yōu)點可以使得該結(jié)構(gòu)在制造時容許一定的誤差。同時由于PEC板式沿著波導(dǎo)傳播的垂直方向傳輸?shù)?所以這種類型的波導(dǎo)具有相對較小的尺寸。在此基礎(chǔ)上還分析了PEC板45度斜插入單向直波導(dǎo)的延時增強效應(yīng)以及當PEC板垂直于波導(dǎo)傳輸方向引入時的延時增強效應(yīng)與及其中的慢光模。在第四章中具體地分析了第三章中提出的單向彎曲波導(dǎo)中脈沖

5、展寬的問題。通過向該單向波導(dǎo)中周期性地引入PEC板,該彎曲的波導(dǎo)擁有超小的畸變以及增強的延時效應(yīng),同時工作的帶寬也比較寬(相對中心頻率的帶寬約為1.8%)。為了研究該波導(dǎo)中的色散,波導(dǎo)的長度設(shè)置的比較長。同時使用FDTD算法仿真了光脈沖在單向的彎曲波導(dǎo)中的傳輸情況。與一個常規(guī)的W1光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比,在相同的信號帶寬以及傳輸長度下,單向的彎曲波導(dǎo)的半高寬的展寬約為被研究的W1波導(dǎo)的0.4%,同時單向的彎曲波導(dǎo)的群速度小于W1波導(dǎo)的群速度。這表明單向的彎曲波導(dǎo)無論在時延還是在群速度色散都是很具有優(yōu)勢。同時可以調(diào)節(jié)單向的彎曲波導(dǎo)中的PEC的長度,可以改變光脈沖傳輸過程中的時延。第五章對基于硅構(gòu)造

6、的三角形太陽能電池的表面增透膜進行了系統(tǒng)的分析,包括理論模型的建立、相應(yīng)的時域仿真方法以及將實驗結(jié)果與我們的時域FDTD仿真結(jié)果進行了系統(tǒng)的比較。當該三角形的高寬比為21.63時,在波長范圍320nm1100nm內(nèi)時域FDTD算法仿真出的反射率均小于5%,展現(xiàn)了良好的增透性能。同時將仿真的結(jié)果同已有的實驗結(jié)果進行比較可以發(fā)現(xiàn),FDTD算法仿真出的結(jié)果與實驗結(jié)果具有良好的一致性。第六章對全文進行了總結(jié),并展望了未來的研究方向。同主題文章1.    顏嚴. 光子晶體具有與入射角無關(guān)的帶隙' J. 激光與光電子學進展. 2000.(05) &

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8、160;  5.    化學所成功制備橢球形結(jié)構(gòu)基元三維光子晶體' J. 人工晶體學報. 2009.(S1)    6.    劉先曙. 反射光子的材料' J. 科技導(dǎo)報. 1993.(03)    7.    單波長光子晶體的制作' J. 激光與光電子學進展. 1999.(01)    8.    張冶文,陳鴻. 高阻抗的電磁波反射表面光子晶體的實際應(yīng)用之一' J. 電工技術(shù)雜志. 2001.(12)    9.    梅洛勤,葉衛(wèi)民,曾淳,袁曉東,朱志宏,張晚云,王華. 用傳輸矩陣法(TMM)研究二維光子晶體傳輸特性' J. 量子光學學報. 2003.(02)    10.    胡源. 曹文斌:隔離期里的科研靈感' J. 科技潮. 2008.(11)