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FDTD方法对二维光子晶体传输特性研究.pdf 39页
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曲阜师范大学
硕士学位论文
FDTD方法对二维光子晶体传输特性的研究
姓名：闫明宝
申请学位级别：硕士
专业：凝聚态物理
指导教师：王海龙
曲阜师范大学硕士研究生毕业论文
光子晶体是指由不同介质材料在空间呈周期性排列的新型光学结构，其主要特点就是
存在光子带隙。一维光子晶体结构简单，影响光子带隙的可调因素少，尚不能满足应用的
需要；三维光子晶体虽有重要应用，但是对制作技术要求苛刻，实际应用受到限制；相对
地，二维光子晶体不仅用于控制光子带隙的可调因素多，而且在实验上容易制备，故有重
要的应用前景。所以，对二维光子晶体的理论及应用研究仍是目前物理学、材料科学与光
电子科学领域的热门课题之一。
本文应用时域有限差分方法对二维三角晶格结构光子晶体进行了研究，主要内容如
1．系统地介绍了光子晶体提出的背景、光子晶体的分类及其主要特点，并对光子晶体
目前主要的理论研究方法和实验制作方法作了简单的介绍。概述了光子晶体的主要应用，
明确了本文的研究目的。
2．简单介绍了时域有限差分方法的发展历程和应用领域；从麦克斯韦方程组出发，详
细地推导了时域有限差分方程在直角坐标系中的表现形式；由已知各离散网格格点的介电
系数，结合差分迭代方程，就可以精确地求出任意时刻空间电磁场的数值。
3．讨论了影响光子晶体传输特性的多种因素。计算发现：光子晶体的晶格结构、介质
柱截面面积、柱体方位角都不同程度的影响光子带隙的宽度，在以上各因素不变的情况下，
进一步研究了入射波方向改变时的透射特性，并与圆形介质柱情形相比较，结果都表明，
随着入射偏转角的增大，在原带隙附近的高频段，透射率降低，甚至形成完全带隙，从而
使得光子带隙变宽。
4．分别研究了在光子晶体中引入简单线缺陷、线掺杂及复合介质柱缺陷、复合介质柱
掺杂时的传输特性，进一步讨论了复合介质柱缺陷和复合介质柱掺杂相结合时对光子带隙
的影响，结果表明缺陷度愈大，掺杂物折射率越小，光子带隙越宽。
5．为了解光子晶体的负折射行为，数值模拟了高斯波束从自由空间垂直入射和斜入射
到光子晶体平板后的折射现象，研究了其成像规律。结果证明了高斯波束在光子晶体和空
气的交界面发生了负折射。对进一步理解光子晶体的负折射现象具有重要意义，并为该类
晶体的实际应用提供了一定的理论依据。
关键词：二维光子晶体，光子带隙，缺陷，掺杂，负折射，
时域有限差分方法
曲阜师范大学硕士研究生毕业论文
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温度对磁流体填充的光子晶体光纤传输特性的影响.doc 7页
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温度对磁流体填充的光子晶体光纤传输特
赵勇1，张玉艳1,2*
（1. 东北大学信息科学与工程学院，沈阳 110189；
2. 沈阳工程学院，沈阳 110136）
摘要：本文研究将新型功能材料磁流体填充到光子晶体光纤（PCF）空气孔中, 利用磁流体
的折射率随温度的变化关系,通过调节温度，利用全矢量有限元法，对光子晶体光纤填充磁
流体后的温度特性进行模拟和分析, 主要研究在不同波长作用下，温度对不同空气孔直径填
充磁流体光子晶体光纤模场、传输模式、有效折射率和损耗等的影响，并进行了数值仿真。
结果表明，波长、空气孔直径和温度对空气孔中填充磁流体的 PCF 的传输特性都有影响，
且输入波长越长、空气孔直径越大，PCF 的传输特性受温度影响越明显。对于空气孔直径为
d=4.5μm，孔间距为 Λ=5.6μm 的磁流体填充 PCF，在输入波长在 1550nm，温度在 20~80℃
作用下，终保持单模传输，基膜有效折射率由 1.442451 减小到 1.441154，有效模场面积由
32.333087μm2 减小到 28.276072μm2，限制损耗由 37.553468dB/m 增加到 38.103598dB/m(对
应温度为 25)，然后又线性减小到 27.501534dB/m。这些特性为利用温度控制光场提供了
理论依据，为实现温度测量提供新方法、新思路，对温度调制光子晶体光纤器件的设计和应
用具有一定的参考意义。
关键词：检测技术与自动化装置；光子晶体光纤；温度；磁流体；传输特性
中图分类号：TP216
characteristics of photonic crystal fiber filled magnetic fluid
Zhao Yong1, Zhang Yuyan1,2
(1. Northeastern University, College of Information Science and Engineering, ShenYang 110189;
2. Shenyang Institutes of Engineering, ShenYang 110136)
Abstract: In this paper, according to the the refractive index of magnetic fluid variation
relationship with temperature, the transmission characteristics of photonic crystal fiber(PCF) filled
with the magnetic fluid (MF) were simulated and analyzed using the full-vector finite element
method. The major researches were numerical simulation about the temperature affects on the
mode field, transmission mode, the effective refractive index and loss of different air hole
diameter PCF filled with MF under different wavelengths.The results show that the wavelength,
the air hole diameter and the temperature have impacts on the transmission characteristics of the
PCF filled with MF. And the longer the wavelength, the larger the diameter of the air hole, the
transmission characteristic of the PCF is more significantly affected by temperature. When the
temperature change from 20 to 80°C under the input wavelength at 1550nm, the PCF with the air
hole diameter of d = 4.5μm, hole spacing Λ = 5.6μm maintain the single-mode transmission, the
effective refractive
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FDTD法模拟一维光子晶体滤波器的研究.pdf 66页
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PhysicalEngineeringCollege
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研
究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人
或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集
体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。
学位论文作者：
学位论文使用授权声明
本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。
根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部
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大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、
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位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑
州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。
学位论文作者：
光子禁带是光子晶体的最重要的特征，处于禁带范围内的光或电磁波在光
子晶体中是被严格禁止传播的。利用这一特性，人们可以制作出光子晶体滤波
器。本文采用时域有限差分(FDTD)法从理论上研究了影响Ti02光子晶体滤波器
特性的各种设计参数。
一，首先了解了光子晶体的特性和研究现状，分析了不同研究方法在研究
光子晶体时的优缺点，并选择使用了FDTD法模拟研究光子晶体，从而对FDTD
法进行了较深入的学习研究。
二，设计了一个由TiO。和Si0。组成的(AB)氇结构一维光子晶体模型(A为
Ti0：，B为Si0：，M-8)，并对光子晶体中传播的电磁场作了模拟和分析。结果表
明：不通过掺杂的方法，只是改变光子晶体的结构参数也可在光子带隙中引入
缺陷态，且缺陷态的中心波长和宽度随结构参数的改变而变化。从而可以设计
出符合要求的宽带反射镜、超窄带滤波器等。
三，利用FDTD法模拟研究了掺杂对一维Tioz光子晶体光子带隙的影响。研
究发现，随着缺陷层两侧周期数的改变，Ti02光子晶体的光予带隙宽度及出现的
缺陷峰透射率都发生了较大改变。当用不同材料作缺陷层时，在光子晶体的光
子带隙中都产生了缺陷峰，但是没有影响光子带隙的宽度和深度，当缺陷层折
射率变大时，缺陷峰的位置向高频端移动，透射率变小。当缺陷层为同一介质
时，材料的光学厚度变化对缺陷态的影响较大，当光学厚度变大时，缺陷峰中
心波长发生红移。该问题的探讨对于新型红外激光器、发光二极管和红外光滤
波器等器件的制备具有一定的参考价值。
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characteristicof
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Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ族半导体量子点SiO,2凝胶玻璃的光学性质以及锗纳米线和三维光子晶体的制备.pdf 74页
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博士后士学位论文
Ⅲ-Ⅴ、Ⅳ族半导体量子点/SiO&,2&凝胶玻璃的光学性质以及锗
纳米线和三维光子晶体的制备
姓名：杨合情
申请学位级别：博士后士
专业：凝聚态物理
指导教师：黄大鸣;王迅
塑宣堕壅呈盔兰盟主星堕茎!笠堡量————————————一
1 11I．V、Ⅳ族半导体量子点，sio：凝胶玻璃的光学性质
采用溶胶～凝胶法制备了镶嵌在SiO：凝胶玻璃中不同尺寸的C、Ge、InAslEllnP
纳米颗粒，研究了它们的结构、光致发光和fs一光学非线性，探讨了结构和性能
f a在Ar激光器的514．5nnl和半导体激光器的782nm激光激发下研究了含
有碳纳米颗粒凝胶玻璃的发光性质，发现在可见和近红外光区有一很强的室温
备的样品在77．300K发光特性以及激发光强度对发光的影响．发光是由镶嵌在
凝胶玻璃中的非晶碳纳米颗粒产生的．利用fs．OKE效应测试了制备样品的三阶
非线性系数，300。C，600。C和700。c炭化样品的慰”分别为4．610&”，3．2
10-．3和1．0 esu．其中600。C炭化样品的Ⅸo’最大，它的三级非线性极化率
10’14esu．
的虚部为8．3X
b含有锗纳米颗粒凝胶玻璃在Ar激光器的514．5nm激发下，发现在可见光
光强度以1：1的比例增加．发光寿命为l岫．在半导体激光器的782nm激发下，
在877nm处也有一很强的室温发光．这种可见和近红外光区的发光不是起源于
具有立方相结构的Ge纳米晶，而是起源于尺寸特别小，小到以致未能形成完整
晶格的具有分子特性的Ge纳米颗粒或团簇．
c在心激光器的514．5nm激发下InAs／SiO，凝胶玻璃在可见光区有一发光峰，
峰位处于610rim和700nm．随着测试温度的降低发光强度增大在空气中放置时
间越长，越容易激发发光．这种可见光的发射与镶嵌在凝胶玻璃中的InAs纳米
晶在空气中的氧化有关．很可能是氧化的InAs纳米晶的发光．以m激光器的
488nm激发，在77K发现在2．18，2．90和3．40m有3个发光峰．发光起源于镶
嵌在凝胶玻璃中的InAs纳米晶．
激发光强度对发光的影响，860nm的发光产生于镶嵌在凝胶玻璃中的InP纳米晶，
610，728nm发光可能起源于氧化的InP纳米晶或凝胶玻璃基质的发光．利用fs—
OKE效应测试了3InP／100SiO：凝胶玻璃的三阶非线性系数，五‘3’为6．8
泵浦探测方法研究了激发态的驰豫过程．发现其衰减过程由两部分组成，～个寿
命为1．0ps的快速过程和另一个寿命为11．2ps的慢速过程．厂，
2．锗纳米线的制各
丝垒堕星里叁堂壁土量婴壅工堡塑宣——
为基片在石英管的下方沉积GeO，制备出了Ge纳米线．该纳米线由Ge纳米线
芯以及表面覆盖的非晶的GeO：组成．纳米线的生长机理为著名的气一液一固机理．
3．三维光子晶体的制备
以正硅酸乙脂作原料，在碱性溶液中水解，通过控制氨水的浓度控制蓬塑：微
球的大小，制备了尺寸均一，微球直径分别在240，370和420nm的SiO：微球，通过
自由沉积和表面张力作用组装成人造蛋白石结构，观测到了光子带隙的位置分
制备了具有反蛋
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