單向光子晶體延時(shí)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(shí)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(jī)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?cè)谶^去的二十年中得到了廣泛的研究。本文對(duì)基于磁光光子晶體的新型光器件單向性光子晶體延時(shí)波導(dǎo)以及硅基寬頻增透膜的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,主要包括:設(shè)計(jì)了磁光介質(zhì)的有限差分時(shí)域法(FDTD)的仿真平臺(tái)以及單向的彎曲波導(dǎo),利用平面波展開法(PWE)以及FDTD對(duì)提出的單向性波導(dǎo)進(jìn)行了仿真,并對(duì)提出的彎曲的單向性波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的分析,從而為單向性光子晶體延時(shí)波導(dǎo)的深入研究打下了堅(jiān)實(shí)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(zhǔn)確的時(shí)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(duì)提高太陽能電池的表面吸收非常具有價(jià)值。本論文的主要研究內(nèi)容如下:在緒論中,主要對(duì)本課題所涉及的理論基礎(chǔ)和研究背景進(jìn)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(duì)光子晶體進(jìn)行研究與計(jì)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?yàn)槎S光子晶體將是本文中主要研究的對(duì)象。最后對(duì)磁光光子晶體中的點(diǎn)缺陷做了詳細(xì)的介紹,同時(shí)還詳細(xì)論述了在磁光光子晶體形成單向

3、邊緣模的機(jī)制,這些都是基于磁光光子晶體設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)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(duì)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(jì)了一種新的策略來實(shí)現(xiàn)延時(shí)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(shí)延得到增長,同時(shí)引起額外的展寬可以在這些頻率范圍內(nèi)忽

4、略不計(jì)。對(duì)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(gè)觀察點(diǎn)之間觀察到的時(shí)延從40.125(a/c)增加至100.95(a/c)。同時(shí)這種單向彎曲波導(dǎo)對(duì)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(diǎn)可以使得該結(jié)構(gòu)在制造時(shí)容許一定的誤差。同時(shí)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(duì)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(shí)增強(qiáng)效應(yīng)以及當(dāng)PEC板垂直于波導(dǎo)傳輸方向引入時(shí)的延時(shí)增強(qiáng)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(qiáng)的延時(shí)效應(yīng),同時(shí)工作的帶寬也比較寬(相對(duì)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(shí)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(gè)常規(guī)的W1光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比,在相同的信號(hào)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(shí)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(shí)延還是在群速度色散都是很具有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)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(shí)延。第五章對(duì)基于硅構(gòu)造

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

7、#160;  2.    楊旅云,邱建榮. 光子晶體制備方法最新進(jìn)展' J. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2003.(08)    3.    姚建年. 光子晶體  中國科學(xué)家談科學(xué)' J. 科學(xué)觀察. 2006.(05)    4.    化學(xué)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(xué)報(bào). 2009.(04) &#

8、160;  5.    化學(xué)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(xué)報(bào). 2009.(S1)    6.    劉先曙. 反射光子的材料' J. 科技導(dǎo)報(bào). 1993.(03)    7.    單波長光子晶體的制作' J. 激光與光電子學(xué)進(jìn)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(shí)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(xué)學(xué)報(bào). 2003.(02)    10.    胡源. 曹文斌:隔離期里的科研靈感' J. 科技潮. 2008.(11)