半导体光子晶体中单向太赫兹边缘模式的研究

论文摘要

太赫兹波因在光谱学、成像和通讯等方面具有广泛的应用而得到了广泛的关注和研究。在太赫兹波段,与大多数天然材料是高损耗介质相比,人工微结构材料(以空气为背景)具有很低的能量损耗,因此已经被广泛地用来调控太赫兹波。在这些人工微结构材料中,周期性介质形成的光子晶体由于具有光子带隙,因此可以在波长尺度上实现电磁场的高度局域化和对电磁波的灵活操控,从而被认为是调控和传导太赫兹波的有效平台。由于光子带隙的存在,光子晶体可以支持边缘电磁模式。磁光材料光子晶体的边缘电磁模式具有单向传输的特征,可用来实现非互易性太赫兹器件,因此研究单向边缘模式在太赫兹波段的物理特性具有重要的科学意义和应用前景。本论文考虑半导体光子晶体中的太赫兹单向边缘模式,采用平面波展开法、有限元法等数值模拟方法,围绕着太赫兹单向边缘模式的单向传输特性,开展了以下研究工作,主要内容包括:论文首先构建了半导体介质柱阵列型光子晶体,该光子晶体可以支持单向边缘模式,讨论了其单向传输特性和对其传输产生重要影响的物理参数。研究发现,在旋电半导体光子晶体的能带结构中,简并点在外磁场的作用下将会解除简并,从而产生一个新的光子带隙,在新的带隙中存在一个单向边缘模式,该模式严重依赖于传输边界的表面结构。在单向传输频带内,单向边缘模式具有稳定的单向传输特性。论文分别讨论了障碍物、90°转角、外磁场及损耗等因素对单向传输的影响。研究结果表明,即使存在大障碍物、大角度,损耗等情况,单向波亦可实现后向免疫散射。单向波的传输方向随外磁场方向的变化而改变。损耗的大小虽然不会影响单向传输的方向,但会影响单向波的传输距离,损耗因子越大,传输距离越短。此外,光子晶体敷层结构对单向边缘模式的传输特性也有重要的影响,最外层介质柱的半径大小和空气层的厚度这两种参数均可影响单向边缘模式的带宽。当敷层空气层的厚度大于某个特定的值时,单向边缘模式将会在禁带中消失。为使光子晶体单向边缘模式更具实际的应用价值,我们进一步探索了半导体背景空气孔阵列型光子晶体中的单向边缘模式。通过对空气孔型光子晶体边界进行不同方式的截断而获得不同的边界表面,计算和分析了在外磁场的作用下不同边界切割对边缘模式物理特性的影响。研究结果表明,光子晶体边界在任意切割的情况下,新产生的禁带中总是存在着边缘模式,并且这些边缘模式既可能单向传输,亦可能双向传输,传输特性由截断边界参数所决定。当考虑半导体材料为有损介质时,光子晶体的边界切割方式对单向波的传输长度产生着显著的影响。然而边界空气敷层的引入可有效地降低损耗的影响,通过优化边界结构参数,单向边缘模式的传输长度得到了两倍左右的增大,单向波的群速度也增大两倍,并且随着空气层厚度的增大,群速度几乎保持不变。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 太赫兹波
•   1.3 光子晶体
•     1.3.1 光子晶体的基本概念
•     1.3.2 光子晶体的物理特性
•   1.4 磁性光子晶体
•     1.4.1 一维磁性光子晶体
•     1.4.2 二维磁性光子晶体
•     1.4.3 三维磁性光子晶体
•   1.5 单向电磁边缘模式的研究进展
•     1.5.1 钇铁石榴石（YIG）光子晶体的单向边缘模式
•     1.5.2 磁表面等离子体激元的电磁表面态
•   1.6 本论文的创新之处及研究内容
•     1.6.1 本论文的创新之处及主要发现点
•     1.6.2 论文的结构及研究内容
• 第2章 理论计算方法
•   2.1 引言
•   2.2 平面波展开法
•   2.3 有限时域差分法
•   2.4 有限元法
• 第3章 半导体光子晶体在THz波段单向边缘模式的特性
•   3.1 引言
•   3.2 物理模型及色散曲线
•     3.2.1 禁带图的计算与分析
•     3.2.2 结构模型及色散曲线
•   3.3 稳定的单向传输
•     3.3.1 障碍物及磁场的影响
•     3.3.2 大角度的影响
•     3.3.3 损耗的影响
•   3.4 敷层的影响
•     3.4.1 最外层介质柱半径的影响
•     3.4.2 敷层参数的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 磁化半导体光子晶体的边缘形状对单向边缘模式的影响
•   4.1 引言
•   4.2 物理模型和色散特性
•     4.2.1 禁带图的计算和分析
•     4.2.2 结构模型及色散曲线
•   4.3 边缘模式的传输特性
•     4.3.1 不同截断因子对边缘模式传输特性的影响
•     4.3.2 障碍物及磁场的影响
•     4.3.3 大角度的影响
•     4.3.4 损耗的影响
•   4.4 空气敷层对单向边缘模式的作用
•     4.4.1 空气敷层对光滑边界的单向边缘模式的作用
•     4.4.2 空气敷层对粗糙边界的单向边缘模式的作用
•   4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 论文的不足及进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 何灵娟

导师: 邓晓华,沈林放

关键词: 半导体光子晶体,旋电性,边缘模式,单向传输,太赫兹波

来源: 南昌大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,物理学,化学,无线电电子学

单位: 南昌大学

分类号: O441.4;O734

DOI: 10.27232/d.cnki.gnchu.2019.002157

总页数: 97

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