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一维光子晶体的带隙控光特性与Bragg光纤光传输特性的研究的开题报告一、研究背景及意义随着光子晶体的发展，其在光学器件中的应用越来越广泛。
光子晶体是一种周期性调制折射率分布的材料，在其内部形成布拉格反射，实现光子波导或者光子晶体带隙效应，在光通信等领域中具有广泛的应用前景。
然而，现有研究中多数维度的光子晶体的制备与系统的性能分析，针对一维光子晶体的调制可能存在一定的挑战。
因此，对于一维光子晶体的研究具有重要的理论与实验意义。
本研究将探讨一维光子晶体的带隙调制特性，通过对一维光子晶体阵列的调制控制，研究其在光传输中的控光特性与Bragg光纤光传输特性。
二、研究内容及技术路线1. 设计与制备一维光子晶体阵列本研究拟采用常规的E-beam光刻与激光干涉技术配合制备一维光子晶体阵列。
选择合适的介质材料，制备出不同孔径，不同填充率的一维光子晶体阵列。
2. 实验测量光子晶体的带隙特性通过光谱仪测量分析一维光子晶体阵列的透射光谱与反射光谱，探究其在不同波段下的带隙阻挡效应。
3. 分析一维光子晶体阵列对光传输的控制特性研究一维光子晶体阵列中掺杂材料的光学性质，利用控制一维光子晶体阵列的带隙特性，研究其对光子晶体光传输与控光的影响。
4. 实验研究Bragg光纤光传输特性通过制备Bragg光纤，结合一维光子晶体阵列，系统研究Bragg光纤中光的传输特性。
5. 建立模型分析实验结果对实验结果进行模型建立和数值分析，综合分析实验得到的控光和光纤传输特性，逐步完善和优化。
三、预期成果通过本研究，预期获得如下成果：1. 成功制备一维光子晶体阵列，测量其带隙特性；2. 分析一维光子晶体阵列的控光特性，并通过实验研究Bragg光纤的光传输特性；3. 建立模型分析实验结果，并优化系统的性能。
四、研究意义本研究将有助于深入理解一维光子晶体的特性与性能，为其在光通信等领域的应用提供理论和实验基础。
此外，通过一维光子晶体的制备及应用，可对光子晶体的性能进行改善与优化，为光电技术的发展提供新的思路和思想。
![一维三元光子晶体的传输特性研究[1]](https://img.taocdn.com/s1/m/9456d46b01f69e314332946e.png)
一维三元光子晶体的传输特性研究3Ξ王旭东3,刘 芳,闫珂柱(曲阜师范大学物理系,山东曲阜273165)摘要:运用光学传输矩阵理论对一维三元光子晶体传输特性进行了数值计算。
结果表明,其带隙宽度随结构参数a、b明显的改变;适当调节两个参数,得到了带隙相对宽度(Δω/ω0)为68%的带隙结构,带隙宽度几乎不随入射角的变化而改变,并且随实际操作中带来的随机误差引起的无序度的改变不明显,由此可方便地用于制作全角宽带反射镜等光学器件。
关键词:光子晶体;带隙;无序度中图分类号:O43;TN2 文献标识码:A 文章编号:100520086(2004)0120104204Studies on the Optical T ransmission Characteristics of12D Polybasic Photonic CrystalsWAN G Xu2dong3,L IU Fang,YAN Ke2zhu(Department of Physics,Qufu Normal University,Qufu273165,China)Abstract:Optical trnasmission characteristics of one dimensional polybasic photonic crystals compo sed of three kind of dielectric mediums was studied by the optical transmission matrix method.The re sults indicate the band gap change s with the variation of structure parameter a and b,a wide band gap with relative band width(Δω/ω0)of68%can be get by adjusting a and b,and its width change s lightly with the incident an2 gle,in fluence of the disorder is small com paring with binary photonic crystals.So it was sugge sted to make wide band refleceors with the photouic crystal.K ey w ords:photonic crystals;band gap;disorder1 引 言 自从1987年S.J hon[1]和E.Yblaloloath[2]提出光子晶体的概念之后,由于其广泛的应用前景和潜在的应用价值,吸引了众多科学家的兴趣。
各向异性材料一维光子晶体的传输特性研究高喜;李思敏;曹卫平;于新华;姜彦南【摘要】为研究由电各向异性材料和磁各向异性材料构建的一维光子晶体的电磁传输特性,分析了不同电等离子体频率和磁等离子体频率对TE极化波和TM极化波禁带宽度的影响规律.结果表明,磁等离子体频率对TE极化波及TM极化波的禁带宽度有较大的调节作用.当电导率和磁导率都为正的各向同性材料缺陷结构引入到光子晶体中时,会有电磁缺陷模式出现,而且缺陷模式的频率随缺陷厚度的增加而降低,同时缺陷的厚度对TM极化波缺陷模式的调谐作用大于对TE极化波的调谐作用,这对滤波器的频率调节具有潜在的应用价值.%The electromagnetic transmission properties of one-dimensional photonic crystals containing permittivity and permeability-anisotropic materials are studied by transfer matrix. The influence of electric and magnetic plasma frequencies on band gap of TE and TM polarization waves is analyzed. The results show that the magnetic plasma frequencies can effectively tune the width of TE and TM polarization waves. When an isotropic impurity is introduced, a defect mode appears and the defect mode moves to low frequency with the increasing thickness of defect. The characteristic will make this photonic crystal have potential applications in filters.【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】5页(P345-348,352)【关键词】各向异性材料;光子晶体;禁带;缺陷模式【作者】高喜;李思敏;曹卫平;于新华;姜彦南【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004【正文语种】中文【中图分类】TN914.3折射率周期分布的光子晶体［1］的显著特点是具有与半导体中电子态类似的带隙结构——光子带隙（即处于带隙内的光子是不能传播的）。
第42卷 第2期2021年5月Vol.42，No.2May，2021吉林师范大学学报(自然科学版)Journal of Jilin Normal Lniversity(Natural Science Edition)doi：10.16862/ki.issn1674-3873.2021.02.013一维函数光子晶体的光透射特性研究吴向尧杨涪铨刘晗1，潘庆任明丽刘掌辉韩梦郭义庆2(1.吉林师范大学物理学院，吉林四平136000；2.中国科学院高能物理研究所，北京100069)摘要:提岀了一种阶梯型一维函数光子晶体，即介质折射率不是常数,而是呈阶梯型变化.由经典电磁场理论，即电场和磁场在介质分界面连续的性质，并结合费马原理，给岀了光在一维函数光子晶体中的传播方程，再经过详细理论推导，给岀了一维函数光子晶体的传输矩阵、色散关系、透射率及电场分布的解析表达式.在此基础上，研究了不同入射角和不同介质厚度对色散关系的影响，同时比较了阶梯型一维函数光子晶体与常规一维光子晶体的透射率，进一步研究了有缺陷和无缺陷的阶梯型函数光子晶体的电场分布.所得结论将为光学器件的设计提供新的理论依据.关键词:光子晶体;折射率；电场分布中图分类号：O436文献标志码:A文章编号：1674-3873-(2021)02-0075_080引言光子晶体(PCs)是由E.Yablonovitch和S.John提出的一种人工材料，其折射率随着介质层厚度发生周期性变化，这种周期性排列结构能够允许特定频率的光子在光子晶体内部的传播，使光子晶体表现出带隙特性，从而影响光的传播［'-6］.光子晶体的一个重要特征是光在指数周期性方向有允许和禁止的频率范围,这可以控制电磁辐射的流动或改变光与物质的相互作用［7-8］.光子晶体通常被看作是一种能改变光学特性的光学半导体，类似于为电子创造半导体带隙的微观原子晶格［9］.为了充分利用光子晶体的高技术潜力，实现其带隙的动态可调性至关重要［'0］.根据构成光子晶体材料的空间分布特点，可以将光子晶体分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体.一维光子晶体由几种折射率不同的材料在空间中沿某一个方向进行周期排列构成，在其他方向上的折射率不变.由于其制备简单，受到了学者们的广泛关注，成为近年的研究热点.因此，本文提出了一种新型函数光子晶体结构,它的折射率是关于空间位置的阶梯型函数.通过选择不同的折射率分布函数n(z),可以得到比传统光子晶体更宽或更窄的带隙结构.利用函数光子晶体可以产生可调谐带隙结构，该研究具有广阔的应用前景.1一维函数光子晶体的传输矩阵文献［1'-'3］推导了光在一维函数光子晶体中的运动方程:dn(z)_zdzn(z)1+z2(1)本节计算一维函数光子晶体的传输矩阵.事实上,光在两种具有不同介电性质的介质的平面上存在收稿日期：202I-03-II基金项目：国家自然科学基金项目(6I275047)；吉林师范大学博士科研启动项目(吉师博20I7005)；吉林师范大学研究生创新项目(研创新20I937)第一作者简介:吴向尧(I965—),男，安徽省铜陵市人，教授，博士，硕士生导师.研究方向：光子晶体理论研究及其器件设计.76吉林师范大学学报(自然科学版)第42卷反射和折射.电场和磁场满足边界连续条件，即E和H的切向分量连续.考虑垂直于入射平面的电场,以一层介质为例进行理论推导，如图1所示.I /H n7码4(耳，刃。
一维光子晶体光传输特性的数值研究的开题报告一、选题背景光子晶体是一种特殊的材料，通过在宏观尺度上制作周期性微结构能够控制光子在其中的传播以及光子的能带结构等光学性质。
光子晶体在制备方法、光学表现和应用领域上都有广泛的研究。
其中，一维光子晶体由于制备简单、光学性质易理解等优点，已经成为实验研究中的热门对象。
目前，一维光子晶体已经被应用于全息记录、传感器、光电器件等方面。
然而，对于一维光子晶体的光传输特性，目前仍存在一些问题亟待解决，如传输效率低、损耗大等。
因此，通过数值模拟的方式深入研究一维光子晶体的光传输特性，有助于优化相关器件的设计，提高器件性能。
二、选题意义通过对一维光子晶体光传输的数值研究，可以深入探究光子晶体中光的传播特性，探索光在光子晶体中的耦合、散射等现象，为设计优化光子晶体器件提供科学依据。
此外，通过模拟研究光在一维光子晶体中的传输过程，也能够为相关研究提供重要参考，为光子晶体在其他领域的应用提供技术支持。
三、研究内容和方法1.研究内容：本研究将针对一维光子晶体的光传输特性进行数值模拟研究。
具体内容包括：(1)分析不同波长光的引入方式对光子晶体传输的影响。
(2)研究光子晶体中光的横向扩散和纵向传输的规律。
(3)分析光子晶体中光的反射、透射等基本现象的物理本质。
(4)探究光子晶体中的能带结构、光子晶体中不同模式的光传输等。
2.研究方法：本研究将采用有限差分时间域（FDTD）方法对一维光子晶体光传输进行数值模拟。
具体方法包括：建立一维光子晶体模型并在该模型中引入光源；使用FDTD方法模拟光在一维光子晶体中的传播过程；通过分析模拟结果得出有关光传输特性的结论。
四、预期结果通过本次数值研究，我们能够更全面地了解一维光子晶体中光的传播特性，探究光子晶体中不同类别光的传输规律，揭示光子晶体的物理本质。
预期结果包括：光子晶体的传输效率的提高；对光子晶体中光传输规律的深入认识；为光子晶体的应用提供更全面、更准确的物理基础。
讨论了由LiF 和Si 两种电磁材料组成的一维周期性电磁薄膜环境下的光传输特性。
利用两种材料的色散性质，通过改变电磁薄膜的周期、厚度以及入射角等变化，分析了带隙结构的形成与变化。
1 基本理论
如图所示，本文考虑的是由两种不同介电常数（,A B εε）和厚度（,A B d d ）的电磁材料所组成的一维周期性光学薄膜结构。
利用传输矩阵计算光在介质薄膜
图1 一维周期性光学薄膜结构
中的传输特性，A （B ）层介质材料中的特征矩阵为 ()()()
()()
()()cos sin /sin cos A B A B A B A B A B A B A B i M i ηη∆∆⎡⎤
=⎢
⎥∆∆⎢⎥
⎣⎦
（1）
（1）式中()()()()2cos /A B A B A B A B n d πθλ∆=为相应薄膜层产生的空间相位，其中()A B n 和()A B θ分别为A （B ）层的折射率和入射角，λ为入射光波在真空中的波长。
对TE 波和TM 波，()A B η分别取()()cos A B A B n θ和()()/cos A B A B n θ。
若以AB 为周期取周期个数为n ，则整个薄膜结构的传输矩阵为
()n A B C D M M M E F ⎡⎤==⎢
⎥⎣⎦。
（2） 若假定TE 光波从折射率为0n 的材料中以0θ角度入射，000cos n ηθ=；薄膜依附基底的折射率为G n 相应透射角为G θ，cos G G G n ηθ=；可以得到光在这种一维周期性薄膜结构中传输时的反射系数和透射系数分别为 0000G G
G G
C D E F r C D E F ηηηηηηηη+--=
+++ （3）
002G G
t C D E F ηηηηη=
+++， （4）
反射率为2||R r =，透射率为2||T t =。
2 一维周期性光学薄膜结构中的传输特性分析
本文中所选取的色散材料，如[11,12]，LiF （模型中的A 层）的折射率在
1.25~
2.35m μ范围内的关系为
2241.387610.0017960.000410.00230450.00000557A n L L λλ=+---， （5） Si （模型中的B 层）的折射率在同一波段为
2243.416960.1384970.0139240.00002090.000000148B n L L λλ=++-+， （6） 其中21/0.028L λ=-。
图2中我们分析了不同周期结构中的反射特性，可以看到，这种多层膜结构的反射率随着膜层周期的增加而迅速增高。
随着周期增加，当8n =时带隙结构趋于稳定，入射波长处于带隙中的光将被反射相干加强，而不能在此结构中传输。
同时，由于多反射光束之间的相互干涉，反射率的振荡频率也随着结构周期的增加而加剧。
R
λ/μm
图 2 同结构不同周期一维光学薄膜的反射率
图3、图4中，我们分别讨论了同周期不同结构单元和不同入射角对膜系传
输特性的影响。
结果发现，当保持A 层厚度不变，而增加B 层厚度发现带隙红移；反观结果，随着膜层变薄，带隙会出现蓝移。
在物理上可以理解为增加（或减小）结构单元厚度，导致光在周期性结构中传输时光程的相应增加（或减小），必然导致反射加强的部分向波长长（或短）的位置移动。
另外，在结果中，如图
R
λ/μm
图 3 同周期(8)
n =不同结构单元对一维光学薄膜的反射率的影响，入射角00θ=。
R
λ/μm
图 4 同周期(8)n =不同入射角对一维光学薄膜的反射率的影响。
4，可以看到，随着入射角度的增加，带隙出现蓝移现象，并且带隙宽度随着入射角度的增加而增加。
反射率在短波段振荡的频率也随之加快。
图5中，我们分析了出现缺陷层对膜系传输特性的影响。
可以看出，在周期结构中引入缺陷层后，对原来结构所产生的带隙产生了一定的影响，并且在带隙中出现了缺陷模，膜系结构的反射特性在短波段受到了显著的影响。
R
λ/μm
图５缺陷层对一维光学薄膜的反射率的影响。
