一维光子晶体平板波导特性分析

"一维光子晶体平板波导特性研究，汪忠柱，吴先良，采用传输矩阵法分析光子晶体禁带特性，研究波导传输模式和功率约束因子。" 一维光子晶体平板波导是光学领域的一个重要研究对象，这种结构可以被视为一种“三明治”结构，由光子晶体、衬底（波导层）和另一层光子晶体组成。在本研究中，科研人员汪忠柱和吴先良针对这一结构进行了深入的理论分析。 光子晶体因其周期性的折射率分布，能够产生光子带隙，即光子禁带，阻止特定频率范围内的电磁波传播。在所研究的一维光子晶体中，第一禁带中心频率被确定为86.3THz，禁带宽度为73THz-99THz。利用传输矩阵法，研究人员能够精确地模拟和理解电磁波在光子晶体中的行为。 在光子晶体平板波导中，传输特性主要关注的是电磁波的模式和功率约束。研究发现，波导主要传输的是TE和TM主模，这意味着在波导层内，这两种模式能够有效传播。而对于高次模式，它们无法在波导中维持，从而降低了信号的失真和能量损失。此外，TE主模的功率约束因子Γ位于0.99-1之间，这表示电磁场几乎完全被限制在波导层内部，与光子晶体理论预测的结果一致，这样的特性对于实现高效、低损耗的光通信和集成光学设备至关重要。 一维光子晶体的优势在于其制备工艺相对简单且成本较低，同时，其模型能体现光子晶体的基本特性和提供解析解。过去的研究中，人们通过传输矩阵法、平面波展开法和FDTD方法等工具，主要围绕光子带隙的调控和光子局域模式的生成及应用开展工作。 本文的重点在于，通过特征矩阵法分析光子晶体的禁带特性，并结合多层介质平板波导理论，研究了频率处于禁带内的电磁波如何在波导层内传输，以及波导对电磁波的约束能力。这些研究对于理解光子晶体平板波导的基本工作原理，以及优化设计高性能的光学器件，如低损耗波导、非线性光学二极管等，具有重要的理论指导意义。 一维光子晶体平板波导的特性研究不仅深化了我们对光子晶体的理解，也为未来开发新型光子器件提供了理论基础。通过精确的数值计算和理论分析，研究人员能够更好地预测和控制光在这些微结构中的行为，进一步推动光子学领域的科技进步。