【正文】 材料組成的規(guī)則排列的二維周期性結(jié)構(gòu)，然后在中心處制造出缺陷，缺陷可以是各種形狀的空氣孔或?qū)嵭牡氖?。矩形的光子頻率禁帶范圍較窄，三角形和石墨結(jié)構(gòu)的光子頻率禁帶范圍較寬。二維光子晶體是指在二維空間各方向上具有光子頻率禁帶特性的材料，它是由許多介質(zhì)桿平行而均勻地排列而成的。最初人們認為，由于只在一個方向上具有周期性結(jié)構(gòu)，一維光子晶體的光子帶隙只可能出現(xiàn)在這個方向上。具有光子帶隙的周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)稱為光子晶體(photonic crystal)。光子的情況其實也非常類似。 光子晶體的概念是1987年Yablonovieth和John分別在討論周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)對材料中光傳播行為的影響時，各自獨立地提出的。光子是以光速運動的粒子，以光子為載體的器件比電子器件將有更高的速度，同時，光子所含有的特性比電子多，包含的信息多并且光子之間沒有相互作用，所以光子器件具有能量損耗小，效率高和信息量大等特點。 the foundation concept and theory of photonic crystals,paringit with band gap of electron and show some applications of photonic crystals.2. Mainly use the transfer matrix method of transmission of onedimensional photonic crystal properties of photonic crystals of various structural parameters on the propagation properties of photonic crystals, and the simulation results obtained using the software.For the new style materials to actualize the control of opticcharacteristic and design of structure of photonic crystals have important science value and society is easy to get the onedimension photonic crystals so this have been research by people and bee the important problem task in optic domain in new century.Key word: Onedimensional photonic crystal，Photonic band gap，transmission matrix，Transmission characteristics 目 錄第一章 光子晶體的簡介………………………………………………… 1………………………………………………………1………………………………………………………1………………………………………………………2…………………………………………………3…………………………………………………3…………………………………………………5…………………………………………………………5…………………………………………………………6……………………………………………………………6………………………………………………………6……………………………………………………………6………………………………………7………………………………………………………7…………………………………………8………………………………………………………………8第二章 光子晶體的理論分析方法…………………………………… 13…………………………………………………… 13…………………………………………………………… 13……………………………………………………… 15…………………………… 17第三章 應用軟件Translight及Matlab簡介…………………… 19…………………………………………………………… 19………………………………………………………………… 21第四章 一維光子晶體傳輸特性……………………………………… 23……………………………… 23………………………… 26結(jié) 論………………………………………………………………………………32參考文獻………………………………………………………………………… 33附錄…………………………………………………………………………………34附錄一：英文資料……………………………………………………………… 34附錄二：譯文…………………………………………………………………… 49謝辭………………………………………………………………………………… 59第一章 光子晶體的簡介隨著物理學的發(fā)展，人們對物質(zhì)世界的理解越來越深入，不斷的推動著人類的文化，科技，生活的發(fā)展。作為面向新世紀的實現(xiàn)人們對光的控制夢想的新材料，光子晶體的光學特性以及晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究有非常重要的科學價值和實際應用意義。目前對于光子晶體的數(shù)值計算方法主要采用平面波展開法，格林函數(shù)法，時域差分法,傳輸矩陣法。其中最重要的特性就是光子帶隙。摘 要光子晶體（photonic crystals）是一種具有周期性介電常數(shù)的介電結(jié)構(gòu)。光子晶體具有很多奇特的性質(zhì)：光子帶隙特性，自輻射的抑制，光子雙穩(wěn)態(tài)特性，光子局域特性等。為了研究光子晶體的各種特性，首先要在理論上對它的帶隙結(jié)構(gòu)和特性進行研究。，分析光子晶體各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對光子晶體傳輸特性的影響,并用軟件得出模擬結(jié)果。關(guān)鍵詞：一維光子晶體，光子帶隙，傳輸矩陣，傳輸特性AbstractPhotonic crystals is a permittivity structure with periodic to the difference of dimension in space,there are one,two and three dimension Photonic length of periodic structure is close to wavelength of also is called Photonic band gap materials and have many characters:Photonic band gap,spontaneous emission optics bistability,photonic localization and so band gap is important in the Photonic band gap,light can be transmitted and this give us a chance to control the of the characteristic of Photonic crystals,People are interested in the theoretical analyze and laboratorial research of Photonic ,the Photonic band gap is one of hotspot in research.To investigate the structure and characteristics of band gap,there are many methods to analyze Photonic crystals including the planewave expansion method, Green’s function method,finitedifference timedomain method and transfer matrix of methods are e from Maxwell function this thesis,the optical mechanisms of onedimension photonic crystals have been mainresults are as follows。意識到電子器件的局限，人們把目光投向了光子，希望使用光子進一步推動社會和科技的進步。因此，為了使二十一世紀真正成為光子時代，就必須找到一種像半導體材料控制電子行為一樣的新型的控制光子行為的材料，而光子晶體是最有希望實現(xiàn)這一目的的材料。電子波的能量如果落在帶隙中，傳播是被禁止的。如果只在一個方向具有周期結(jié)構(gòu)，光子帶隙只可能出現(xiàn)在這個方向上，如果存在三維的周期結(jié)構(gòu)，就有可能出現(xiàn)全方位的光子帶隙，落在帶隙中的光在任何方向都被禁止傳播。簡單結(jié)構(gòu)的一維光子晶體通常由兩種介質(zhì)交替疊層而成，在垂直于介質(zhì)層方向上介電常數(shù)是空間位置的周期性函數(shù)，而在平行于介質(zhì)層平面的方向上介電常數(shù)不隨空間位置變化。因此一維光子晶體仍有很高的研究意義和應用價值。截面形狀不同，獲得的光子頻率禁帶寬窄也不一樣。光子晶體光纖印(photon crystal fiber,PCF)是一種的帶有缺陷的二維光子晶體，它將光限制在缺陷內(nèi)傳播。光在通訊領(lǐng)域中的優(yōu)勢其他物質(zhì)是很難比擬的，但阻礙光器件發(fā)展的主要困難就是光太難控制了，傳統(tǒng)的波導纖維對光的束縛能力差，在僅有5度的轉(zhuǎn)彎處，光場也會有超過一半的輻射損失，要實現(xiàn)90度的轉(zhuǎn)彎幾乎是不可能的?？梢灶A見，光波導器件在未來的全光集成光路中將起到關(guān)鍵的作用。美國貝爾通訊研究所的Yablonovitch創(chuàng)造出了世界上第一個具有完全光子頻率禁帶的三維光子晶體，它是一種由許多面心立方體構(gòu)成的空間周期性結(jié)構(gòu)，也稱為鉆石結(jié)構(gòu)。在光子晶體的研究過程中，發(fā)展出多種制備方法，有微電子制備技術(shù)、半導體制造技術(shù)、膠體自組裝技術(shù)、多光子聚合技術(shù)，以及全息光刻、分子生物組裝等方法。一旦獲得折射率超過2的玻璃體，就可以直接得到具有完全帶隙的光子晶體，而感光樹脂上得到的結(jié)構(gòu)也可以作為模板，以得到高介電常數(shù)的光子晶體，2002年Kirihara等利用計算機程序設(shè)計出金剛石結(jié)構(gòu)，然后利用平板刻蝕技術(shù) (stereo lithography)在感光樹脂上轉(zhuǎn)印得到了金剛石結(jié)構(gòu)的光子晶體，這是第一次真正意義上得到了金剛石結(jié)構(gòu)的光子晶體。結(jié)合其他技術(shù)可以在一維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，比較精確地制作出工作于紅外和可見光波段甚至更短波長的光子晶體。最早的類蛋白石結(jié)構(gòu)是利用幾百納米的二氧化硅膠體顆粒自組裝得到的。然而，這樣獲得的光子晶體仍然存在者大量難以控制的在自組裝過程中產(chǎn)生的缺陷。采用聚焦技術(shù)，多光子反應可以被限制在的空間內(nèi)，是激光的波長。雙光子聚合技術(shù)受到激光參數(shù)和有機材料組成的影響。通過改變?nèi)毕莸某叽纾烧{(diào)諧被俘獲和發(fā)射的光子的波長。 光子帶隙是光子晶體的一個最基本的特性。而在光子晶體中，由于介電常數(shù)在空間的周期性變化，也存在類似的周期性勢場。光子晶體的另一個主要特征是光子局域，當光子晶體中引入雜質(zhì)或缺陷后，晶體原有的周期性被破壞，從而有可能在光子晶體帶隙中出現(xiàn)頻寬極窄的缺陷態(tài)。利用缺陷態(tài)，人們可以隨心所欲的控制光子，比對半導體中電子的控制方法更靈活多樣，半導體材料己經(jīng)給社會生活的各個方面帶來了很大的沖擊，而光子晶體則有可能在21世紀扮演更為重要的角色，特別是在未來的全光集成回路里充當關(guān)鍵角色。光子處于光子晶體中時，光子在折射率不同的介質(zhì)中的波長是不一樣的，當光子晶體中高低折射率介質(zhì)排列周期與一種電磁波的周期發(fā)生某些關(guān)聯(lián)時，這種電磁波就有可能不能在這種周期結(jié)構(gòu)中存在，這就是所謂的光子禁帶效應。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種計算光子晶體的方法：包括平面波展開法，傳輸矩陣法，時域有限差分法，多重散射法等。它將平面波在倒格矢空間以平面波疊加的形式展開，將Maxwell方程組化成本征方程，然后求解得到本征頻率，本征頻率的合集即為光子能帶。格林函數(shù)法已用的相當成熟，這種方法早先用于研究電子導體和晶格振動系統(tǒng)的雜質(zhì)模，后來又用來研究磁系統(tǒng)中的單個磁雜質(zhì)。首先將本征方程化成三維的標準本征值問題，利用格林函數(shù)求解波導中的本征方程。傳輸矩陣法求解Maxwell方程的基本含義是：對光子晶體取厚度極小的薄層，把在薄層入射面處的電磁波和出射面處的電磁波通過一個矩陣聯(lián)系起來，即通過矩陣將介質(zhì)層一邊的電磁波“傳輸”到介質(zhì)層的另一邊。除了上述的幾種方法以外，還有許多其他的方法來研究光子晶體。如果在激光器中引入一個帶有缺陷的光子晶體，這個缺陷對應頻率恰好是原子自發(fā)輻射頻率，自發(fā)輻射將顯著增強，這樣就能實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)的諧振腔，大大降低激光器的閡值。該激光器以電流驅(qū)動，雖然閉值為300A，但為以后的研究提供了借鑒。由于傳統(tǒng)的方法是將偶極平面天線直接制作在介質(zhì)基底上，因此天線的基底會吸收大量的能量，效率很低。總而言之，綜合利用光子晶體的各種優(yōu)越性能，光子晶體在低損耗反射鏡、分辨率極高的超棱鏡、光開關(guān)、光限幅、光放大器、選頻濾波器、偏振器、光聚焦器等方面都存在廣泛的應用前景。如中科院物理所楊國楨，南京大學閔乃本，中國科技大學李永平，武漢大學李承芳，華中科技大學姚凱倫等各個研究組。參見圖12。在自然界尚未曾發(fā)現(xiàn)此類的晶體。(1)精密機械加工法精密機械加工法以半導體工業(yè)成熟的技術(shù)為基礎(chǔ)，是制備光子晶體最為穩(wěn)定可靠的方法。這種方法缺點在于工藝復雜、造價昂貴。這種結(jié)構(gòu)的光子晶體工作頻率多落在微波波段。這種技術(shù)為三維晶體的制造提供了一個可行的途徑，但關(guān)鍵是如何制備出帶隙在可見光和近紅外范圍的結(jié)構(gòu)。單分散的聚苯乙烯乳膠球在重力場作用下，在水中能自發(fā)排列成周期性有序結(jié)構(gòu)。介質(zhì)材料的選擇范圍較寬。為了提高介電比，制備出合適的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，發(fā)展了模板法，即以顆粒小