含PZN-0.07PT压电单晶缺陷层的一维光子晶体可调带隙特性研究

利用传输矩 阵方法计算含有 Ｐ Ｚ Ｎ一 ０ ． ｏ ７ 单 晶缺 陷层 的光 子晶体透过谱 ， 研 究窄透 过 带的可调特 性。理论 计算表
明， Ｐ Ｚ Ｎ — Ｐ Ｔ相 较于传 统的电光材料 ， 能够在较低的 电压下实现 大的窄透过 带调 节 ， 更适用于 制作光 子 晶体 可调窄
带滤波器。
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于计算 ， 选取 了等厚的基本周期结构 ， 即其中两种材料的光学厚度都为 Ａ 。 ／ ４ （ Ａ 。 ＝ ６ ０ ０ ｎ ｍ） 。 在周期性结构中引入缺陷层后 ， 在禁带 内会出现窄透过带 ， 这对于光学窄带滤波器 、 激光器和波分复
用 器有 很重 要 的应用 。 为实现 窄透 过带 的频 率位 置可 调 ， 把Ｐ Ｚ Ｎ － ０ ． ０ ７ Ｐ Ｔ引入 到周期 性结 构 中 ， 形 成三 明 治 的结 构 ， 在 缺 陷层镀 上厚 度 可 以忽略 的柔性 石 墨 电极 ， 对 单 晶施加 外 加 电压 ， 利 用 电光 效 应 调 节缺 陷 层 物 质 的折射 率 ， 实现 窄透 过带 的频 率可调 。
关键词 ： 光子晶体 ； 缺 陷模 ； 传输 矩阵； Ｐ Ｚ Ｎ 一 ０ ． ０ ７ Ｐ Ｔ
作者简介 ： 董 云峰（ １ ９ ７ ７ 一 ） ， 男， 黑龙江林甸人 ， 讲 师， 从事光子 晶体 特性及 应用研 究。
基金项 目： 大庆 师范学院 自然科 学基 金项 目（ １ ２ Ｚ Ｒ １ ２ ） 。 中图分类号 ： Ｏ ４ ３ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ２ ０ ９ ５ — ０ ０ ６ ３ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ６ — ０ ０ ６ ２ — ０ ３ 收稿 日期 ： ２ ０ １ ５ — ０ ８ — ２ ３
成为全光通信领域 中的关键材料 ， 因此具有较高的理论价值和广泛的应用前景 。如果在光子晶体 中引入 某种程度的缺陷 ， 光子晶体原有的对称性被破坏 ， 在光子晶体的禁带 中就可能出现频率极窄的缺陷态 ， 与 缺陷态频率对应的光子可以被局限在缺陷位置 ， 而带隙中其它频率的光仍然被禁止。具有缺陷的光子晶 体 因有 引导 电磁 波的能力 ， 而在光 子系统 中更 极具 应用 价值 。 在实际应用中， 许多利用光子晶体材料制作的器件 ， 都希望其带结构可 以实现主动可调 ， 实现光子晶 体的带隙可调方式总体可以分为两类 ， 一类是通过外场改变材料 的结构参数 ， 以调 节光子 晶体的带隙特 性， 如液晶材料。另一类是引入电流变材料 、 磁光和电光材料， 利用外加 电场、 磁场或热场等改变材料的介 电常数或磁导率常数 一 进 而达到改变材料折射率 的 目的 ， 从 而实现窄透过带的频率调节 目的。在这些 材料中， 电光 材料 因为 响应 速度能 达 到 Ｇ Ｈ ｚ ， 引起 了研 究者 的广泛 关 注 ， 但 对 这 类 材料 的研究 主要 集 中在 铌酸锂晶体上 ， 而对 Ｐ Ｚ Ｎ — Ｐ Ｔ和 Ｐ Ｍ Ｎ — Ｐ Ｔ晶体 ， 在光子 晶体可调特性上研究仍很少见。最近 ， 研究人员发 现， 单 畴态 的 Ｐ Ｚ Ｎ — Ｐ Ｔ晶体不仅 具有 优异 的压 电特性 ， 同时 光学 稳 定 性 和可 见 光 区域 透 光性 也 很 好 ， 相较 于传统的铌酸锂晶体而言， 该 晶体具有更大的电光系数 。本文基于 ０ ． ９ ３ 铌锌酸铅 一 ０ ． ０ ７钛酸铅（ Ｐ Ｚ Ｎ 一 ０ ． ０ ７ Ｐ Ｔ ） 材料优异的电光性１ ； ， 将其引入到一维光子晶体结构 中， 利用传输矩阵方法研究 了含 Ｐ Ｚ Ｎ — Ｐ Ｔ缺 陷层的一维光子晶体可调带隙特性 ， 并分析了缺陷层材料在外加电场作用下的可调特性。
０ 引言
光 子 晶体 是一 种介 电 常数周期 性重 复排 列 的人工 微结 构 材 料 ， 其 主 要 特征 是 具有 光子 禁 带 。一 维光 子 晶体 是光子 晶体 最基本 的构型 ， 具有结 构 简单 、 易于 制备 ， 同时 具备 二 、 三 维光 子 晶体 的性 质 ， 极 有可 能
第３ ５卷
第 ６期
大庆 师范学院学报
Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ Ｄ Ａ Ｑ Ｉ Ｎ Ｇ Ｎ Ｏ Ｒ ＭＡ Ｌ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ 曼 ！
２ ０ １ ５年 ｌ １月
Ｄ Ｏ Ｉ １ ０ ． １ ３ ３ ５ ６ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｊ ｄ ｎ ｕ ． ２ ０ ９１ ５
２ 数值模拟和结 果分析
利用传输矩阵方法 ， 首先分析计算由二氧化钛 （ Ｔ ｉ Ｏ ： ） 和氟化镁 （ Ｍ ： ） 材料构成的完全周期结构 的光 透 射谱 ， 其带 隙结 构如 图 ２所示 。如 图所 示 ， 当周期 数 Ｎ很 小 时 ， 光透 过该 结 构 时不 会 有禁 带 出 现 。当 Ｎ
１ 物理模型
选 用周期 性 结构光 子 晶体材料 为 二氧化 钛 （ Ｔ ｉ Ｏ ： ） 和氟化镁 （ Ｍ ｇ Ｆ ） ， 因这两 种材料 的化学 稳定 性 和 热 稳定性 好 ， 同时它 们在 可见 光波段 都 没有光 吸 收 ， 即折 射 率 虚部 为零 ， 材 料 对 应 的折 射 率分 别 为 ｎ ＝２ ． ４ ９ 和ｎ ＝１ ． ３ ８ 。结构 中 Ａ为 Ｔ ｉ Ｏ 、 Ｂ为 ｇ Ｆ ， 厚 度分 别 为 ａ和 ｂ 。 电磁 波 由左 侧 入 射 ， 其 波长 为 Ａ。为 了便
含 Ｐ Ｚ Ｎ 一 ０ ． ０ ７ Ｐ Ｔ压 电单 晶缺 陷层 的 维 光 子 晶体 可 调 带 隙 特 性 研 究
一
董云峰 ， 王玉玲 ， 姜
赫， 崔海瑛 ， 杨
瑞
（ 大庆师范学院 机 电工程学院 ， 黑龙江 大庆 １ ６ ３ ７ １ ２ ）
摘
要： 把具有高 电光 系数 的单畴极化压 电单 晶０ ． ９ ３铌锌 酸铅一 ０ ． Ｏ ７钛酸铅 （ Ｐ Ｚ Ｎ － ０ ． ０ ７ Ｐ Ｔ ） 引入到光 子 晶体 中，