探讨调谐光子晶体自准直现象及其运用

论文导读：成功实现了基于二维菱形晶格光子晶体的宽带全角自准直、偏振无关的全角自准直以及自准直亚波长成像。首先计算了二维菱形晶格光子晶体的第一布里渊区及高对称点，并对其平面波展开法做了详细的推导。接着浅析了菱形晶格光子晶体的带隙特性，并讨论了介质填充率、晶格角对带隙特性的影响。然后，基于菱形晶格光子晶体的独特性质，
摘要：光子晶体是一种人工周期介质结构，在集成光学、全光通信等领域有着广泛的运用。最近几年，光子晶体的异常色散特性引起了越来越多的关注，成为一个新的探讨热点，主要包括负折射、自准直、超棱镜等效应。其中，自准直效应为制约光的传输提供了一种崭新的策略，在集成光学中有着重要运用。本论文对光子晶体中的自准直现象做了系统探讨和深入浅析，采取论述浅析与数值计算相结合的策略，对光子晶体的可调自准直、宽带全角自准直、偏振无关的全角自准直以及宽带自准直亚波长成像等特性进行了深入探讨，提升了光子晶体的自准直性能。并基于自准直效应，设计了多种分束器和光开关等光子晶体器件。本论文主要完成了如下几个方面的工作：（1）以色散曲面与等频线浅析入手，系统探讨了光子晶体自准直效应原理，讨论了最大自准直角与等频线的联系。浅析了自准直虚拟波导的传输特性，并计算了入射角对虚拟波导传输性能的影响。（2）提出并设计了自准直光束的T型、Y型以及1×3分束器。首先通过在正方晶格光子晶体中引入一个V型空气隙，设计了T型自准直光束分束器与1×3分束器。然后通过在三角晶格光子晶体中引入线缺陷，实现了自准直光束的60°弯曲；并通过引入V型线缺陷，设计了Y型自准直光束分束器与1×3分束器。目前自准直光束的分束形式单一，设计的T型与Y型分束器，使自准直光束有了更灵活的分束方式，以满足不同情形的运用。设计的1×3分束器可以将自准直光束一次性分成三束，不但效率高于普通的两个1×2分束器的组合，而且结构也更紧凑。（3）优化设计了基于空气环光子晶体的自准直光束偏振分束器。这种分束器可以通过选择合适的内环与外环半径，更为便捷地调节TE模与TM模的自准直频率，提升偏振无关的自准直带宽，因而具有更高的设计自由度，在设计阶段可以根据情况灵活地调节参数以达到最佳的性能。（4）探讨了基于液晶材料与电磁感应透明材料光子晶体的可调自准直特性，并设计了自准直光开关。首先探讨了液晶旋转角对自准直频率的影响，并基于液晶光子晶体的带隙可调性和自准直特性，设计了自准直光子晶体光开关。然后探讨了基于半导体量子阱电磁感应透明材料光子晶体的可调自准直特性，并设计了基于电磁感应透明材料光子晶体的全光开关。（5）成功实现了基于二维菱形晶格光子晶体的宽带全角自准直、偏振无关的全角自准直以及自准直亚波长成像。首先计算了二维菱形晶格光子晶体的第一布里渊区及高对称点，并对其平面波展开法做了详细的推导。接着浅析了菱形晶格光子晶体的带隙特性，并讨论了介质填充率、晶格角对带隙特性的影响。然后，基于菱形晶格光子晶体的独特性质，通过参数优化，实现了带宽为17.42%的宽带全角自准直，并对偏振无关的全角自准直进行了探讨。最后，探讨了菱形晶格光子晶体的宽带自准直亚波长成像特性。关键词：光子晶体论文自准直论文分束器论文光开关论文可调谐性论文
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ABSTRACT7-12
第一章 绪论12-28

1.1 光子晶体介绍12-21

1.1 光子晶体概念12-16

1.2 光子晶体特性16-18

1.3 光子晶体的运用18-21

1.2 光子晶体异常色散特性探讨进展21-25

1.2.1 光子晶体负折射效应21-22

1.2.2 光子晶体超棱镜效应22-23

1.2.3 光子晶体自准直效应23-25

1.3 本论文的主要工作及结构安排25-28

第二章 光子晶体论述基础及数值计算策略28-41

2.1 光子晶体的论述基础28-31

2.

1.1 光子晶体中的波动方程28-31

2.

1.2 比例法则与时间反演对称31

2.2 光子晶体数值计算策略31-39

2.1 平面波展开法32-35

2.2 时域有限差分法35-39

2.3 本章小结39-41

第三章 光子晶体中的自准直现象41-57

3.1 光子晶体中的自准直现象41-47

3.

1.1 光子晶体中的异常色散41-43

3.

1.2 最大自准直角43-44

3.

1.3 二维正方晶格光子晶体中的自准直44-47

3.2 自准直虚拟波导47-52
3.

2.1 虚拟波导的传输特性47-50

3.

2.2 入射角对传输性能的影响50-52

3.3 平板光子晶体中的自准直52-56

3.4 本章小结56-57

第四章 自准直光子晶体分束器设计57-78

4.1 自准直光束的弯曲与分束57-62

4.

1.1 基于空气-光子晶体界面的自准直光束的弯曲与分束57-59

4.

1.2 基于线缺陷的自准直光束的弯曲与分束59-60

4.

1.3 古斯-汉森位移对自准直光束弯曲的影响60-62

4.2 基于正方晶格自准直光子晶体的 T 型分束器与 1×3 分束器设计62-66

4.3 基于三角晶格自准直光子晶体的 Y 型分束器与 1×3 分束器设计66-70

4.

3.1 自准直光束的 60°弯曲66-68

4.

3.2 Y 型分束器与 1×3 分束器68-70

4.4 基于空气环光子晶体的偏振分束器设计70-77

4.1 环形光子晶体71-73

4.2 基于空气环光子晶体的偏振分束器73-77

4.5 本章小结77-78

第五章 光子晶体可调自准直特性探讨及光开关设计78-98

5.1 基于液晶材料光子晶体的可调自准直特性探讨78-91

5.

1.1 液晶可调光子晶体概况及模型78-81

5.

1.2 基于液晶光子晶体的可调自准直81-87

5.

1.3 基于液晶的自准直光子晶体光开关87-91

5.2 基于电磁感应透明材料光子晶体的光开关设计91-97
5.

2.1 电磁感应透明介绍91

5.

2.2 EIT光子晶体光开关91-97

5.3 本章小结97-98
第六章 二维菱形晶格光子晶体自准直特性探讨98-127

6.1 二维菱形晶格光子晶体98-105

6.

1.1 菱形晶格结构98-101

6.

1.2 菱形晶格光子晶体中的平面波展开法101-105

6.2 二维菱形晶格光子晶体的带隙特性1论文导读：自准直110-1196.3.3基于菱形晶格光子晶体的偏振无关全角自准直119-1226.4二维菱形晶格光子晶体中的自准直亚波长成像122-1266.5本章小结126-127第七章总结与展望127-1307.1工作总结127-1287.2前景展望128-130致谢130-131参考文献131-142攻博期间取得的探讨成果142-144上一页12
05-108
6.

2.1 介质柱型菱形晶格光子晶体的带隙特性105-107

6.

2.2 空气孔型菱形晶格光子晶体的带隙特性107-108

6.3 二维菱形晶格光子晶体自准直特性108-122
6.

3.1 光子晶体中的全角自准直109-110

6.

3.2 基于菱形晶格光子晶体的宽带全角自准直110-119

6.

3.3 基于菱形晶格光子晶体的偏振无关全角自准直119-122

6.4 二维菱形晶格光子晶体中的自准直亚波长成像122-126

6.5 本章小结126-127

第七章 总结与展望127-130

7.1 工作总结127-128

7.2 前景展望128-130

致谢130-131
参考文献131-142
攻博期间取得的探讨成果142-144