半無限周期光子晶體全反射隧穿機(jī)理的干涉詮釋

劉啟能

(重慶工商大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶400067)

1 引言

所謂光子晶體就是其介質(zhì)的折射率在空間上呈周期性變化的帶隙材料，當(dāng)光在光子晶體中傳播時(shí)由于光子晶體的周期結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生光的帶隙。利用光的帶隙結(jié)構(gòu)可以十分方便地控制光的傳播，這使得光子晶體成為控制光傳播的理想材料。根據(jù)其周期結(jié)構(gòu)的空間維數(shù)不同光子晶體分為一維光子晶體、二維光子晶體和三維光子晶體。一維光子晶體的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、研究最方便，但是它卻具有其他高維光子晶體的基本特性。因此對(duì)一維光子晶體的研究成為光子晶體研究領(lǐng)域內(nèi)的重要內(nèi)容。

光子晶體的研究中，在帶隙特性［1－5］、缺陷模特性［6－9］、濾波理論［10－11］等方面已經(jīng)取得了可喜成果。近年來人們又發(fā)現(xiàn)了光以大于全反射角入射一維光子晶體時(shí)出現(xiàn)的全反射隧穿現(xiàn)象［12］。隨后文獻(xiàn)［13］中利用傳輸矩陣法研究了TE波和TM波兩種偏振光以大于全反射角入射一維光子晶體時(shí)出現(xiàn)的全反射隧穿現(xiàn)象，得出了TE波和TM波在一維光子晶體的全反射隧穿現(xiàn)象隨入射角和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化特征。接著文獻(xiàn)［14］利用傳輸矩陣法進(jìn)一步研究了一維光子晶體的全反射隧穿效應(yīng)的濾波特性，發(fā)現(xiàn)一維光子晶體的全反射隧穿效應(yīng)比一維摻雜光子晶體具有更好的梳狀濾波特性。為了解釋一維有限周期光子晶體的全反射隧穿效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)理，文獻(xiàn)［15］利用多光束干涉理論推導(dǎo)出一維有限周期光子晶體的全反射隧穿導(dǎo)帶頻率中心滿足的解析公式，從理論上解釋了一維有限周期光子晶體的全反射隧穿效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)理。隨后文獻(xiàn)［16］通過建立一維半無限周期光子晶體的諧振腔模型，利用諧振腔的共振條件推導(dǎo)出全反射隧穿導(dǎo)帶波長(zhǎng)滿足的解析公式，建立了一維半無限周期光子晶體全反射隧穿效應(yīng)的共振理論。從理論上解釋了一維半無限周期光子晶體的全反射隧穿效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)理。并將共振理論的結(jié)果與色散法的結(jié)果進(jìn)行比較，其結(jié)果完全吻合。但是文獻(xiàn)［16］中存在一個(gè)明顯的不足:它只得出了一維半無限周期光子晶體的全反射隧穿導(dǎo)帶波長(zhǎng)的解析公式，而全反射隧穿峰的峰高和帶寬兩個(gè)重要特征沒有得到給予解決。因此，文獻(xiàn)［16］中的共振理論是一個(gè)不完善的理論，有待進(jìn)一步深入研究和完善。本文在文獻(xiàn)［16］的基礎(chǔ)上，利用光的干涉理論推導(dǎo)出一維半無限周期光子晶體的全反射隧穿峰的透射率公式和波長(zhǎng)公式，解釋一維半無限周期光子晶體的全反射隧穿現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)全反射隧穿峰的波長(zhǎng)中心、峰高、帶寬進(jìn)行全貌研究。

2 隧穿現(xiàn)象

仍用文獻(xiàn)［16］中的一維半無限周期光子晶體結(jié)構(gòu)，它由氟化鎂(其厚度為 d1、折射率為 n1=1.38)和碲化鉛(其厚度為d2、折射率為n2=4.1)兩種介質(zhì)周期性地交替構(gòu)成，其周期為無限多個(gè)。如圖1。設(shè)入射空間的介質(zhì)也為碲化鉛，即n2=n0。因n0＞n1，所以當(dāng)光大于全反射角入射該一維半無限周期光子晶體時(shí)會(huì)產(chǎn)生全反射現(xiàn)象，其全反射角θm=arcsinn1/n0=0.34rad。取中心波 長(zhǎng) λ0=600nm，設(shè)歸一化波長(zhǎng)Λ=λ/λ0，λ為光在真空中的波長(zhǎng)。

圖1 一維半無限周期光子晶體Fig.1 1D half infinite cycle photonic crystal

取n1d1=n2d2=λ0/4、θ0=0.35rad，計(jì)算出TE 波入射該光子晶體其色散函數(shù)F［17］隨歸一化波長(zhǎng)Λ的響應(yīng)曲線，如圖2。由圖2可知，當(dāng)光大于全反射角入射一維半無限周期光子晶體時(shí)會(huì)出現(xiàn)全反射隧穿現(xiàn)象。其全反射隧穿現(xiàn)象具有以下特征:全反射隧穿現(xiàn)象是由多級(jí)導(dǎo)帶組成，波長(zhǎng)最大的隧穿導(dǎo)帶稱為一級(jí)隧穿導(dǎo)帶，隨作波長(zhǎng)的減小分別稱為二級(jí)隧穿導(dǎo)帶、三級(jí)隧穿導(dǎo)帶、……。圖2中歸一化波長(zhǎng)Λ在0.45附近的是一級(jí)全反射隧穿導(dǎo)帶，歸一化波長(zhǎng)Λ在0.23附近的是二級(jí)全反射隧穿導(dǎo)帶，…。各級(jí)全反射隧穿導(dǎo)帶的帶寬隨級(jí)數(shù)的增加而減小。

圖2 色散函數(shù)隨歸一化波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(θ0=0.35rad)Fig.2 Response curves of dispersion function versus wavelength

圖3 多波束干涉模型Fig.3 multiple-beam interference model

圖4 透射率隨歸一化波長(zhǎng)響應(yīng)曲線(干涉理論)Fig.4 Response curves of transmissivity versus wavelength

3 干涉理論

為了解釋一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理，建立一維半無限周期光子晶體的多光束干涉模型:當(dāng)光以大于全反射角入射該光子晶體時(shí)，由于n0＞n1，光會(huì)在從n0入射到n1的界面上發(fā)生全反射，但光并不是完全不能進(jìn)入n1中，它能夠以倏逝波的形式進(jìn)入n1約一個(gè)波長(zhǎng)的深度。而該光子晶體中n1層的厚度d1約為0.2個(gè)波長(zhǎng)，因此光能夠穿過n1層進(jìn)入n2層中。當(dāng)光進(jìn)入n2層后，會(huì)在n2層的前后兩個(gè)平行界面間往復(fù)地反射形成一個(gè)諧振腔，如圖3。該一維半無限周期光子晶體就由無限多個(gè)這樣的諧振腔連續(xù)排列組成。當(dāng)光在n2層中第一次反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生透射光線1、第二次反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生透射光線2、第三次反射時(shí)會(huì)產(chǎn)生透射光線3、……，這些無限多條透射光線會(huì)發(fā)生相干干涉，其相干干涉出現(xiàn)極大的位置就會(huì)產(chǎn)生全反射隧穿現(xiàn)象。由多光束干涉理論［18］可得，這無限多條透射波線發(fā)生相干干涉的透射率為:

式中，r為n1，n2兩層界面的反射系數(shù)，δ為相鄰兩條透射光線的位相差，δ為:

式中，θ2，λ2分別為n2層中光的折射角和波長(zhǎng)。由數(shù)學(xué)知識(shí)可知，要使式(1)出現(xiàn)極大值必須滿足下列條件:

式(3)就是出現(xiàn)一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象的條件。利用θ2=θ0和λ2=λ/n2，由式(1)得出全反射隧穿峰的透射率隨歸一化波長(zhǎng)Λ和入射角θ0的變化關(guān)系:

由式(3)得出現(xiàn)全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)滿足的條件為:

式中，j稱為全反射隧穿峰的級(jí)數(shù)，j=1對(duì)應(yīng)一級(jí)全反射隧穿峰，其歸一化波長(zhǎng)為Λ1，j=2對(duì)應(yīng)二級(jí)全反射隧穿峰，其歸一化波長(zhǎng)為Λ2，……。取n2d2=λ0/4、θ0=0.35 rad，由式(4)計(jì)算出全反射隧穿峰的透射率隨歸一化波長(zhǎng)的響應(yīng)曲線，如圖4。由圖4可以看出:在歸一化波長(zhǎng) Λ=0.45、0.24、0.15……附近分別出現(xiàn)了一級(jí)隧穿峰、二級(jí)隧穿峰、三級(jí)隧穿峰……，各級(jí)全反射隧穿導(dǎo)帶的帶寬隨級(jí)數(shù)的增加而減小，干涉理論的結(jié)果與色散法的結(jié)果吻合。這表明干涉理論能成功地解釋一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。

還可以發(fā)現(xiàn):式(5)與文獻(xiàn)［16］中用共振理論推導(dǎo)出的全反射隧穿導(dǎo)帶的歸一化波長(zhǎng)公式完全相同。而上述全反射隧穿的干涉理論與文獻(xiàn)［16］中的共振理論是建立在不同的理論基礎(chǔ)上的，兩種不同的方法能夠得出相同的結(jié)論，這表明干涉理論和共振理論都是解釋一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象的正確理論。并且干涉理論中的公式(4)不僅能夠得出全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)公式(5)，而且還能反映全反射隧穿峰高、寬度等信息。因此，本文建立的全反射隧穿的干涉理論比文獻(xiàn)［16］建立的全反射隧穿的共振理論更加全面地、深刻地揭示了產(chǎn)生一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象的物理機(jī)理。

4 全反射隧穿峰的特征分析

為了進(jìn)一步比較干涉理論與共振理論，下面利用干涉理論(即式(4))和共振理論(即式(5))對(duì)全反射隧穿峰的特征進(jìn)行比較研究。

4.1 隧穿峰隨入射角的變化

取n2d2=λ0/4，利用式(4)計(jì)算出一級(jí)全反射隧穿峰隨歸一化波長(zhǎng)和入射角變化的3D圖，如圖5。利用式(5)計(jì)算出一級(jí)全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)隨入射角的響應(yīng)曲線，如圖6。

圖5 隧穿峰隨波長(zhǎng)和入射角變化3D圖(干涉理論)Fig.5 Response curves of tunneling peak versus wavelength and incident angle

圖6 隧穿峰波長(zhǎng)隨入射角響應(yīng)曲線(共振理論)Fig.6 Response curves of wavelength versus incident angle

比較圖5和圖6可以得出:

①一級(jí)全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)隨入射角的增加而減小，干涉理論與共振理論得出完全相同的結(jié)果。

②但圖6中的共振理論的圖像只能反映全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)隨入射角的變化特征，卻不能反映全反射隧穿峰的峰值和帶寬隨入射角的變化特征。而圖5中的干涉理論的圖像卻能夠反映全反射隧穿峰的峰值和帶寬隨入射角的變化特征。

4.2 隧穿峰隨腔厚度的變化

腔厚度就是的d2，為了研究方便令d2=Xλ0，X為無量綱的參變量，腔厚度的變化通過X的變化實(shí)現(xiàn)。式(4)和式(5)可以化為隨X的變化函數(shù):

固定θ0=0.35 rad，利用式(6)計(jì)算出一級(jí)全反射隧穿峰隨歸一化波長(zhǎng)和腔厚度變化的3D圖，如圖7。利用式(7)計(jì)算出一級(jí)全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)隨腔厚度的響應(yīng)曲線，如圖8。比較圖7和圖8可以得出:

①一級(jí)全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)隨腔厚度的增加而成正比增加，干涉理論與共振理論得出完全相同的結(jié)果。

②但圖8中的共振理論的圖像只能反映全反射隧穿峰的歸一化波長(zhǎng)隨腔厚度的變化特征，卻不能反映全反射隧穿峰的峰值和帶寬隨腔厚度的變化特征。而圖7中的干涉理論的圖像卻能夠反映全反射隧穿峰的峰值和帶寬隨腔厚度的變化特征。

圖7 隧穿峰隨波長(zhǎng)和腔厚度變化3D圖(干涉理論)Fig.7 Response curves of tunneling peak versus wavelength andX

圖8 隧穿峰波長(zhǎng)隨腔厚度響應(yīng)曲線(共振理論)Fig.8 Response curves of wavelength versus X

5 結(jié)論

前面通過建立一維半無限周期光子晶體的多光束干涉模型，利用光的干涉理論推導(dǎo)出一維半無限周期光子晶體全反射隧穿峰的透射率公式和波長(zhǎng)公式。利用透射率公式和波長(zhǎng)公式成功地解釋了一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)理，并利用干涉理論和共振理論對(duì)一維半無限周期光子晶體全反射隧穿現(xiàn)象的特征進(jìn)行了比較研究，兩者的結(jié)論是一致的。干涉理論不僅彌補(bǔ)了色散法不能解釋全反射隧穿現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)理的不足，而且彌補(bǔ)了共振理論不能反映全反射隧穿峰的峰值和帶寬的不足。

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