結(jié)構(gòu)參數(shù)對正負(fù)缺陷一維光子晶體透射譜的影響

韋吉爵

(河池學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西 宜州 546300)

結(jié)構(gòu)參數(shù)對正負(fù)缺陷一維光子晶體透射譜的影響

韋吉爵

(河池學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣西 宜州 546300)

基于缺陷光子晶體B(AB)m(ACB)n(AB)mB模型，在B層介質(zhì)中引入雙正材料或雙負(fù)材料，利用傳輸矩陣?yán)碚撚?jì)算了模型結(jié)構(gòu)參數(shù)以及缺陷層厚度對光傳輸譜的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)B層為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，結(jié)構(gòu)周期數(shù)n對光子晶體透射譜中缺陷模的數(shù)目具有很好的調(diào)制作用，周期數(shù)m則對缺陷模的寬度有較好的調(diào)制效果；該結(jié)構(gòu)光子晶體傳輸譜中的透射峰對介質(zhì)B的光學(xué)厚度具有簡并的響應(yīng)關(guān)系；這種簡并響應(yīng)關(guān)系在B層為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，相對雙正介質(zhì)較為明顯；B層為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，結(jié)構(gòu)周期數(shù)對透射峰頻率位置的影響也比雙正介質(zhì)的情況要大。這些特性對光子晶體濾波器的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

光子晶體；傳輸矩陣法；正負(fù)缺陷；透射譜

0 引言

20世紀(jì)80年代末，由Yablonovitch和John提出了光子晶體[1-2]的概念，光子晶體作為一種新型的人工材料開始引起了人們極大的興趣。光子晶體的重要特征是具有光子帶隙，電磁波頻率落入光子禁帶中被阻止傳播，也就是說光子無法從光子禁帶中透過。利用光子晶體具有光子帶隙這一重要特征，人們可以根據(jù)需要來控制、調(diào)節(jié)光子的運(yùn)動(dòng)。研究表明，在介質(zhì)中引入缺陷，使得光子帶隙形成缺陷態(tài)，通過控制缺陷介質(zhì)的材料性質(zhì)或光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)控缺陷態(tài)的位置，從而使得人為控制光行為成為了可能。這些特性的發(fā)現(xiàn)，使得光子晶體在光濾波器、全反射鏡、激光二級(jí)管、光開關(guān)等新型器件的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)價(jià)值[3-5]。雖然目前有關(guān)光子晶體的理論研究已經(jīng)趨于成熟，但是有關(guān)光子晶體方面的一些細(xì)節(jié)問題還存在探索的空間。例如，對于缺陷一維光子晶體模型，在缺陷層中引入雙正或者雙負(fù)材料[3-5]的情況下得出的透射譜有什么區(qū)別，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)對透射譜的具體影響規(guī)律如何，這些結(jié)果對光子晶體器件的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用有什么指導(dǎo)意義等，這些問題我們還可以進(jìn)行更加詳細(xì)具體的開展分析與討論，這不僅能豐富光子晶體理論研究的內(nèi)容，也為光子晶體在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用，無疑也是具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

基于此，本文構(gòu)造缺陷光子晶體B(AB)m(ACB)n(AB)mB模型通過傳輸矩陣法[11，3-10]，計(jì)算模擬出該模型的透射譜，通過模擬可視化的方式，分析各種因素對光傳輸譜的影響，比較不同的介質(zhì)材料對透射譜影響的區(qū)別，并找出它們的規(guī)律，為光子晶體器件的設(shè)計(jì)與實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 研究模型及理論方法

研究的一維光子晶體模型為B(AB)m(ACB)n(AB)mB，基元介質(zhì)為A和B，摻雜的缺陷介質(zhì)為C。介質(zhì)A、B、C的折射率分別為：nA=2.6，nB=1.45，nC=1.8；光學(xué)厚度分別取nAdA=λ0/4，nBdB=-λ0/4，nCdC=λ0/4，(dA、dB、dC分別對應(yīng)的是A、B、C的物理厚度；λ0表示的是光子晶體能帶譜的中心頻率ω/ω0所對應(yīng)的波長，即中心波長，屬于中紅外波長范圍)。模型中的m、n是光子晶體重復(fù)周期數(shù)，可取任意正整數(shù)，中心波長λ0=1.55 μm。

鑒于計(jì)算主要對象是光子晶體的透射譜，因此計(jì)算理論方法采用比較成熟且直觀的傳輸矩陣法[3-11]，傳輸矩陣法理論在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)有詳細(xì)介紹，在此不再贅述。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 周期數(shù)n對光子晶體透射譜的影響

把模型B(AB)m(ACB)n(AB)mB的周期數(shù)保持為m=8，C層介質(zhì)的光學(xué)厚度為：DC=nCdC=λ0/4。取重復(fù)周期數(shù)n=1、2、3、4，固定其他的變量參數(shù)保持不變，B層介質(zhì)的材料分別為雙正材料和雙負(fù)材料，其折射率分別為nB=1.45、-1.45，通過傳輸矩陣法，由科學(xué)計(jì)算軟件Matlab編程計(jì)算，即可模擬仿真出B(AB)8(ACB)n(AB)8B的透射譜，如圖1所示。

圖1(左)中是介質(zhì)B為雙正材料時(shí)的計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看到雙正材料缺陷的光子晶體透射譜中兩禁帶有一定的距離，禁帶內(nèi)的透射峰條數(shù)隨著周期數(shù)n的增大而增多，且數(shù)目與n的數(shù)值對應(yīng)，同時(shí)禁帶寬度也逐漸加寬。當(dāng)n=1時(shí)，禁帶內(nèi)有1條透射峰，透射率100%，禁帶寬度小幅增大；當(dāng)n=3時(shí)禁帶內(nèi)出現(xiàn)3條透射峰，透射率100%，禁帶寬度也繼續(xù)小幅增大；當(dāng)繼續(xù)增大到n=4時(shí)，禁帶內(nèi)出現(xiàn)4條透射率為100%的透射峰，禁帶寬度明顯加寬。圖1(右)中是介質(zhì)B為雙負(fù)材料時(shí)的計(jì)算結(jié)果，很明顯透射譜中兩禁帶的距離挨得很近，禁帶中的透射峰條數(shù)隨著周期數(shù)n的變化趨勢與雙正材料相似，但不同的是禁帶寬度隨著n的增大幾乎不變；對此可以得出介質(zhì)B為雙負(fù)材料時(shí)的光子禁帶寬度明顯比介質(zhì)B為雙正材料時(shí)的光子禁帶寬得多；禁帶內(nèi)的各透射峰位置之間距離也比雙正的大，同時(shí)雙負(fù)材料缺陷情況下，透射峰數(shù)目增多的同時(shí)透射率也有所下降。

圖1 n對B(AB)8(ACB)n(AB)8B透射譜的影響左：nB=1.45：(a)n=1，(b)n=2，(c)n=3，(d)n=4;右：nB=-1.45：(e)n=1，(f)n=2，(g)n=3，(h)n=4

2.2 周期數(shù)m對透射譜的影響

同理，保持周期數(shù)n=4，取周期數(shù)m=1、2、3、4，固定其他參數(shù)不變，可模擬仿真出B(AB)m(ACB)4(AB)mB的透射譜，如圖2所示。

圖2(左)為雙正缺陷情況，圖2(右)為雙負(fù)缺陷情況。從圖中我們可以看到，兩種情況下，透射譜都出現(xiàn)了以頻率ω/ω0的奇數(shù)倍為中心對稱的光子禁帶，且隨著周期數(shù)m的增大，透射峰的寬度均出現(xiàn)變窄的趨勢，而禁帶寬度變化不同。進(jìn)一步對比還發(fā)現(xiàn)，圖2(左)介質(zhì)B為雙正介質(zhì)，周期數(shù)m=1時(shí)，就出現(xiàn)明顯的禁帶，禁帶中也開始出現(xiàn)共振峰，而圖2(右)介質(zhì)為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，幾乎看不到禁帶特征，只有m足夠大時(shí)，即m=3時(shí)才開始出現(xiàn)禁帶特征，且禁帶中僅出現(xiàn)兩條明顯的透射峰；可以得出，介質(zhì)B的折射率分別為正、負(fù)介質(zhì)時(shí)，兩者的禁帶中透射峰在數(shù)目上存在差別，當(dāng)介質(zhì)B為雙正介質(zhì)時(shí)，禁帶出現(xiàn)4條透射峰，當(dāng)介質(zhì)B為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，禁帶中出現(xiàn)2條透射峰；另外，當(dāng)介質(zhì)B為雙正介質(zhì)或者雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，透射能帶譜中透射峰隨著m的增大變鋒銳的同時(shí)透射能帶譜的禁帶寬度有變窄趨勢，但介質(zhì)B為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)禁帶的寬度變化較大，而透射峰變鋒銳得較慢。

圖 2 m對B(AB)m(ACB)4(AB)mB透射譜的影響左：nB=1.45： (a)m=1，(b)m=2，(c)m=3，(d)m=4；右：nB=-1.45： (e)m=1，(f)m=2，(g)m=3，(h)m=4

2.3 介質(zhì)B光學(xué)厚度的奇偶倍數(shù)對傳輸特性的影響

固定周期數(shù)m=8、n=4，使缺陷介質(zhì)B的光學(xué)厚度為：DB=nBdB=g×(λ0/4)，取g的值分別為奇、偶數(shù)兩中情形。

首先，給g的值為奇數(shù)變化1、3、5、7時(shí)，模擬仿真出B(AB)8(ACB)4(AB)8B的透射譜，如圖3所示。從圖中可以看到，介質(zhì)B為雙正或雙負(fù)時(shí)，禁帶中的透射峰隨著厚度的奇數(shù)倍增大，兩種情況均出現(xiàn)簡并趨勢，當(dāng)介質(zhì)B的光學(xué)厚度為1倍時(shí)，在頻率5ω/ω0為中心的附近出現(xiàn)了四條透射率為100%的透射峰，透射峰間的寬度較大，隨著光學(xué)厚度倍數(shù)不斷增加，介質(zhì)B的光學(xué)厚度到達(dá)7倍時(shí)，在頻率5ω/ω0為中心的附近只出現(xiàn)了兩條透射度為100%的透射峰，透射峰間的帶寬比光學(xué)厚度為1倍時(shí)小很多，變成超精細(xì)透射峰，即隨著介質(zhì)B的光學(xué)厚度奇數(shù)倍的遞增，透射峰的頻帶寬度不斷縮小，出現(xiàn)缺陷模簡并現(xiàn)象。

其次，給g的值為偶數(shù)變化2、4、6、8時(shí)，模擬仿真出B(AB)8(ACB)4(AB)8B的透射譜，如圖4所示，圖中可以看到不管B層的折射率為雙正或雙負(fù)，傳輸譜每個(gè)禁帶中透射峰均出現(xiàn)簡并趨勢，但是在中心禁帶中透射峰的透射率隨著簡并度的增加最后達(dá)到100%，而遠(yuǎn)離中心禁帶的透射率隨著簡并度的增加有所下降，另外在圖3(右)B為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，在厚度較小的時(shí)候傳輸譜還沒出現(xiàn)禁帶特征，如圖3(右)子圖e所示。對比光學(xué)厚度奇、偶倍數(shù)增加時(shí)，其對傳輸譜的影響來看，介質(zhì)B為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，傳輸譜受介質(zhì)厚度的影響相對雙正介質(zhì)的情況要大一些。

進(jìn)一步計(jì)算還發(fā)現(xiàn)，不管介質(zhì)B為雙正介質(zhì)還是雙負(fù)介質(zhì)，隨著光學(xué)厚度逐漸增大，兩透射峰的帶寬不斷縮小并向光子帶隙的對稱中心靠攏，呈現(xiàn)簡并的結(jié)果，最終簡并成一條透射峰。不管哪種情況下透射峰的透射度都是100%的，透射峰都是超精細(xì)的，所占的頻帶超窄，因此，對于這類光子晶體結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)控光學(xué)厚度奇、偶倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)超窄帶濾波的功能。

圖3 光學(xué)厚度奇數(shù)倍對B(AB)8(ACB)4(AB)8B透射譜的影響左：nB=1.45： (a)g=1，(b)g=3，(c)g=5，(d)g=7；右：nB=-1.45： (e)g=1，(f)g=3，(g)g=5，(h)g=7

圖4 光學(xué)厚度偶數(shù)倍對B(AB)8(ACB)4(AB)8B透射譜的影響左：nB=1.45： (a)g=2，(b)g=4，(c)g=6，(d)g=8；右：nB=-1.45： (e)g=2，(f)g=4，(g)g=6，(h)g=8

3 結(jié)論

基于缺陷光子晶體B(AB)m(ACB)n(AB)mB模型，利用傳輸矩陣法理論，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對正負(fù)缺陷一維光子晶體透射譜的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1)周期數(shù)n增大時(shí)，透射譜中的透射峰數(shù)目增多，且透射峰數(shù)目與n的數(shù)值對應(yīng)；透射峰的寬度隨周期數(shù)m的增大而變窄，透射峰數(shù)目不變，可實(shí)現(xiàn)多通道濾波器的性能調(diào)制功能。

(2)介質(zhì)B的厚度無論是奇數(shù)倍增大還是偶數(shù)倍增大，均對光子晶體透射能帶譜的簡并效應(yīng)具有調(diào)制作用，B層為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，透射能帶譜簡并效果相對雙正介質(zhì)較為明顯。

(3)B層為雙負(fù)介質(zhì)時(shí)，光子晶體結(jié)構(gòu)周期數(shù)對透射峰頻率位置的影響也比雙正介質(zhì)的情況要大。

研究結(jié)果不僅豐富了光子晶體理論研究內(nèi)容，也對光子晶體窄帶濾波器的設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1]Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics[J].Phys.Rev.Lett.，1987，58(20)：2059-2061.

[2]John S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices[J].Phys.Rev.Lett.，1987，58(23)：2486-2489.

[3]劉文莉，唐婷婷，何修軍.微波段左手材料光子晶體帶隙特性研究[J].光子學(xué)報(bào)，2016，45(2)：0216002.

[4]蘇安，蒙成舉，高英俊.實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)濾波功能的一維光子晶體量子阱濾波器[J].中國激光，2013，40(10)：1006001.

[5]潘繼環(huán)，蘇安，唐秀福，等.缺陷奇偶性對光子晶體光傳輸特性的影響[J].激光與紅外，2015，45(6)：706-709.

[6]蘇安，蒙息君，蔣丹，等.缺陷參量對光子晶體缺陷模奇偶性的調(diào)制[J].河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，35(2)：25-29.

[7]許江勇，蘇安，潘繼環(huán)，等．雙負(fù)介質(zhì)對一維光子晶體量子阱透射譜的影響[J]．紅外與激光工程，2013，42(8)：2155-2160．

[8]潘繼環(huán)，黃金玉，蒙息君.影響雙負(fù)材料光子晶體能帶性能的因素[J].河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，34(5)：83-86.

[9]潘繼環(huán)，李志海，黃金玉.介質(zhì)光學(xué)厚度對雙負(fù)材料光子晶體透射峰帶寬的調(diào)制[J].河池學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，35(2)：30-34.

[10]潘繼環(huán)，蘇安，蒙成舉.雙負(fù)介質(zhì)對光子晶體透射能帶譜的簡并效應(yīng)研究[J].光學(xué)技術(shù)，2014，40(3)：245-248.

[11]王輝，李永平.用特征矩陣法計(jì)算光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)[J].物理學(xué)報(bào)，2001，50(11)：2172-2178.

[責(zé)任編輯 羅傳清]

The Effect of Structure Parameters on Transmission Spectrum of One-dimensional Photonic Crystal with Positive And Negative Defects

WEI Jijue

(School of Physics and Mechanical & Electronic Engineering, Hechi University, Yizhou, Guangxi 546300, China)

We have introduceddouble positive materials or double negative materials into layer B on the defect photonic crystal B(AB)m(ACB)n(AB)mB model.The effect of transmission spectrum of model are calculated by transfer matrix method. The results showed that when the layer B is a double negative medium, the number of the defect modes in the transmission spectrum is modulated welly by the number of the periodn, and the number of cycles of m has a good modulation effect on the width of the defect mode.The transmission peak in the transmission spectrum of the photonic crystal has a degenerate response to the optical thickness of the dielectric B.When layer B is a double negative medium, the degenerate response is more obvious than that of the double positive medium, and the influence of the number of structural cycles on the frequency position of the transmission peak is larger than that of the double positive medium.These characteristics have some guiding significance for the design of photonic crystal filters.

photonic crystal; transfer matrix method; positive and negative defects; transmission spectrum

TG111.2

A

1672-9021(2017)02-0054-05

韋吉爵(1971-)，男，廣西河池人，河池學(xué)院物理與機(jī)電工程學(xué)院講師，主要研究方向：光子晶體。

廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KY2015YB258)。

2017-01-21