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光子晶体传输特性数值模拟的时域有限差分方法研究

作 者: 雍振
导 师: 傅海威;李岩
学 校: 西安石油大学
专 业: 物理电子学
关键词: 光子晶体 光子晶体波导 光子晶体微腔 应变与温度测量 电磁场时域有限差分法
分类号: O734
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 75次
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内容摘要


由于光子能带和带隙(PBG)的存在,使得光子晶体具有许多独特的性质,光子晶体被用于激光器,光子晶体微腔滤波器以及光子晶体光纤中,引起了包括物理学,光学,电子学以及材料科学领域科学家的极大兴趣。本文对时域有限差分方法(FDTD)的理论基础和计算方法进行了深入的学习研究,编写了FDTD数值计算程序,对一维、二维完整和含缺陷光子晶体传输特性进行了计算模拟,主要内容如下:首先,讨论了电磁场时域有限差分法的基本理论,包括网格划分,吸收边界、连接边界、稳定条件等问题,并利用Fortran语言编写了一维和二维,TE和TM模式计算机程序。其次,对一维光子晶体——光纤光栅的传输特性进行了数值模拟计算,研究了光栅参数与反射波中心波长之间的关系,并将数值模拟的结果与理论值进行了分析比较,表明数值计算与理论值结果具有很好的一致性。再次,对二维光子晶体直波导、直角波导、十字波导的传输特性进行了模拟计算,结果表明光子晶体波导具有非常优良的导波性能;对二维光子晶体微腔的谐振特性进行了计算模拟,研究了光子晶体微腔谐振频率与微腔中心缺陷介质柱折射率、尺寸之间的关系,计算结果表明谐振频率与微腔中心缺陷介质柱的折射率,谐振频率与缺陷介质柱尺寸之间存在良好的线性关系,光子晶体微腔可以用作窄带滤波和可调谐滤波器件。最后,模拟了二维光子晶体微腔在温度、应力作用下谐振频率与温度、应变之间的关系,发现谐振频率与温度、应力之间呈良好的线性关系,基于光子晶体微腔的这一特性,提出了光子晶体传感器的设计思路和理论模型。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-17
  1.1 光子晶体概述  8-10
  1.2 光子晶体理论研究  10-12
  1.3 光子晶体研究状况和进展  12-13
  1.4 光子晶体应用  13-14
  1.5 本论文研究的目的和意义  14-15
  1.6 课题的来源及背景  15
  1.7 本论文的主要工作  15-17
第二章 电磁场时域有限差分法  17-40
  2.1 电磁场时域有限差分法(FDTD)发展和应用  17-18
  2.2 Maxwell方程的FDTD形式  18-23
    2.2.1 Maxwell方程和Yee元胞  18-20
    2.2.2 二维情形的FDTD  20-23
    2.2.3 一维情形的FDTD  23
  2.3 数值稳定性  23-26
    2.3.1 时间离散间隔的稳定性要求  24
    2.3.2 Courant稳定条件  24-26
  2.4 常用激励源  26-29
  2.5 PML吸收边界条件  29-34
    2.5.1 PML介质中的 Maxwell方程  29-34
  2.6 连接边界的设置  34-39
  2.7 小结  39-40
第三章 一维光子晶体传输特性研究  40-44
  3.1 光纤 Bragg光栅的基本结构  40-41
  3.2 均匀光纤 Bragg光栅传输特性模拟  41-43
  3.5 小结  43-44
第四章 二维光子晶体波导结构研究  44-52
  4.1 二维光子晶体基本结构  44
  4.2 二维光子晶体直波导的导播特性研究  44-46
  4.3 二维光子晶体直角波导的导波特性研究  46-47
  4.4 含点阵缺陷的二维光子晶体十字波导传输特性研究  47-51
  4.5 小结  51-52
第五章 含异质结光子晶体谐振腔谐振特性研究  52-57
  5.1 光子晶体中的点缺陷  52-53
  5.2 含异质结光子晶体微腔谐振特性研究  53-56
  5.3 小结  56-57
第六章 二维光子晶体传感特性研究  57-64
  6.1 含单个点缺陷光子晶体微腔应变传感特性研究  57-61
  6.2 含单个点缺陷光子晶体微腔温度传感特性研究  61-63
  6.3 小结  63-64
第七章 总结  64-65
致谢  65-66
参考文献  66-68
攻读硕士学位期间公开发表的论文  68-69
详细摘要  69-80

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中图分类: > 数理科学和化学 > 晶体学 > 晶体物理 > 晶体的光学性质
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