光子晶体光纤分析-无线电物理专业论文.docxVIP

电 电 子 科 技 大 学 硕 士 论 文 目 录 中文摘要 I ABSTRACT II 目 录 IV 第一章 引 言 1 1.1 光子晶体简介 1 1.1.1 光子晶体的概念及特征 1 1.1.2 光子晶体的分类及制作 5 1.1.3 光子晶体的应用 10 1.2 研究光子晶体光纤的意义 14 1.2.1 光子晶体光纤的概念及分类 14 1.2.2 研究光子晶体光纤的意义 16 1.3 光子晶体光纤的发展概况 23 1.3.1 光子晶体光纤的理论研究 23 1.3.2 光子晶体光纤的应用及制作 24 1.4 本论文的工作 26 第二章 光子晶体光纤的理论研究 28 2.1 光子能带理论 28 2.1.1 电子能带结构 28 2.1.2 光子能带结构 28 2.2 光子晶体光纤的导光原理 32 2.2.1 传统光纤的导光原理 32 2.2.2 PCF 的导光原理 32 2.3 光子晶体光纤的数值分析方法 33 2.4 小结 37 第三章 光子晶体光纤的理论计算与模拟 38 HYPERLINK \l _TOC_250001 3.1 PWE 基本原理 38 HYPERLINK \l _TOC_250000 3.2 PCF 的计算结果及分析 42 3.2.1 PBG-PCF 的理论计算与模拟 42 3.2.2 TIR-PCF 的理论计算与模拟 47 3.3 小结 51 第四章 大模场光子晶体光纤的设计 52 第五章 光子晶体光纤的制作与应用 61 5.1 光子晶体光纤的制作方法 61 5.2 光子晶体光纤的实验室制作 62 5.3 光子晶体光纤应用中面临的问题 65 第六章 全文总结 67 6.1 论文主要内容 67 6.2 下一步的工作 67 参考文献 68 致 谢 74 作者简历及攻读硕士学位期间发表的论文 75 IV PAGE PAGE 10 第一章 引 言 1.1 光子晶体简介 1.1.1 光子晶体的概念及特征 早在半个世纪前，物理学家就已经知道，自然晶体（如半导体）中的电子 由于受到原子周期性势场的作用，从而在色散关系上表现出能带结构，在能带 之间还可能因为布拉格散射而出现带隙。如果将具有不同折射率（介电常数） 的介质材料按照自然晶体的周期结构排列，类似的现象也存在于光子系统中。 1987 年，Yablonovitch[1]和 John[2]在研究如何抑制自发辐射和光子局域特性时 分别独立提出了光子晶体（Photonic Crystal，PC）的概念——一种因折射率 空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料，其折射率变化周期为光 波长量级。如果能带对应在光波附近的微波波段，习惯上也称作光子晶体。 光子晶体中折射率的周期变化对光子的影响与自然晶体中周期性势场对电 子的影响相似：电磁波在周期性排列的介电材料中传播时，某些波段的电磁波 会因布拉格散射而呈指数衰减，无法在系统中通过，从而在布里渊区（Brillouin zone，BZ）边界处能带发生弯曲，形成类似于电子禁带的光子带隙（Photonic Band Gap，PBG），对应在带隙内频率的光子态密度为零，相应色散关系也发生 折叠，形成光子能带（Photonic Band），如图 1-1 所示。 （a）Si 结构示意图 （b）二维光子晶体结构示意图 （c）Si 能带图 （d）二维光子晶体能带图 图 1-1 自然晶体（Si）与光子晶体 kk类比于电子能带理论可知，光子带隙是由于能量 E（或频率υ ）与波矢 r 的 关系在布里渊区边界上出现了突变，这里波矢 r 既表示光波波长，又表示光波 k k 方向，因此光子带隙不但与光子频率有关，还与传播方向有关。相应的，光子 晶体可能出现两种不同的带隙——在所有方向上都存在的完全带隙和只在特定 方向上存在的不完全能隙。具体表现为：如果光在整个空间的所有方向上都有 带隙，且每个方向上的带隙相互重叠，则为完全带隙光子晶体；如果空间各个 方向上都有带隙但不完全重叠，或只在特定的方向上有带隙，则为不完全带隙 光子晶体。对于频率处于光子带隙中的电磁波，若入射到光子晶体表面时会被 反射，若在光子晶体内产生则无法传播。光子带隙是光子晶体最根本的特征。 虽然光子晶体的概念在二十世纪末才提出，但自然界中早已存在具有这种 性质的物质了。例如由 SiO2 沉积而成的蛋白石（图 1-2(a)）、布满鳞粉的蝴蝶 （a） 蛋白石 （b） 蝴蝶翅 图 1-2 自然界中的光子晶体 翅（图 1-2(b)）等。由于具有周期排列的微结构形成光子带隙，其表面会因反 射不同频率的自然光而呈现出不同的颜色。在人造周