首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
物理学论文 >
光学论文 >
硅光子晶体结构参数对本身带隙宽度影响分析
摘要：借助光子晶体的理论知识和平面波展开法理论方法，依托Matlab、Comsol等计算分析软件，分析了二维三角晶格硅光子晶体结构参数对带隙宽度的影响。就基元形状与旋转角度等结构参数调整对光子带隙宽度的影响进行模拟以及研究。结果发现，在一种固定晶格的光子晶体中，其他条件为定量时，基元形状所占的空间比例越大，光子带隙显现出的结构越好；基元面积固定时，其旋转角度的改变只和带隙宽窄有关，而对带隙的中心频率无影响，或者影响不大。
加入收藏
1、概述
目前电子领域发展面临集成和微型化极限，颇难突破瓶颈，急需通过选择其他有良好性能且符合需求的器件材料实现性能提升[1,2]。在经过大量的尝试和探索后发现，硅基光子晶体有以下几点特性：一是损耗低；二是成本少；三是能效高；四是易制备。因此，这类晶体凭借其多种优良的特性得以发展[3]。
光子晶体内部光子受到周期性的约束和影响，且其具有光子带隙[4,5,6](photonicbandgap,PBG）。PBG中是禁止任何光入射并传播的，其对于光子晶体掌控光的能力起决定性作用，它的宽度越宽，表明光子晶体掌控光的频域范围越大。针对此，结构参数是PBG的一个重大影响因素，通过对预先设计好的光子晶体结构改变参数变量并不断优化，得到更为理想的PBG，从而达到满足高集成、小尺寸的工艺目标。但面对硅光子晶体器件结构的设计和应用以及实现部分功能的问题上，由于缺乏相关结构参数的理论研究分析，研究过程显得尤为缓慢[7,8]。
本文首先通过光子晶体的理论基础和平面波展开法，建立了二维三角晶格硅光子晶体模型；定量分析了三角晶格内基元形状以及旋转角度等结构参数因素对其带宽的影响；最后总结了模拟计算得出的结果分析并对今后实验研究提供一定的参考依据。
2、理论方法
在模拟计算光子晶体内光子带隙时，平面波展开法[9]将电磁场量与介电常数以傅里叶级数展开，并用平面波形式表达，再利用一个特征方程代替转化的Maxwell方程组，求解该特征方程的特征值得到其带隙特征，有如下形式：
光子晶体对应于一些倒格子矢量的周期介电函数（对于所有二维的晶体周期而言，i=1,2）。在这种情况下，周期特征问题的布洛赫-弗洛凯定理表明方程的解：
(1）可以被表达为包含有特征值的形式，其中是满足以下条件的周期表达
(2）在每个布洛赫波矢k軋处的倒格子上产生一个不同的埃尔米特本征问题。如果结构在所有方向上都是周期性的，则倒格子是一个有限域，导致标量为n=1,2。这些特征值ωn的连续函数，形成在能带结构分布图中，当绘制离散的能带与后者的ω和都是守恒量时，这意味着能带图描绘了系统中所有可能的相互作用，同时还要注意k軋不要求是真实的，并且在晶体边界，其模长会迅速表现出下降趋势，不能存在于大块晶体中。
此外，本征解也是的周期函数：在处的解与在处的解相同，其中是由.定义的倒格子向量。由于这种性质，在倒格子中计算k軋的本征解即可。
考虑距离原点最接近的一组不等价波矢，这个范围称为第一布里渊区。例如，在一维系统中，对于某个周期a,R1=a,G1=2π/a，第一布里渊区是的区域；所有其他波矢量都相当于该区域中某一点的G1倍数。
3、数值分析
3.1 计算模型
二维三角晶格硅光子晶体结构如图1所示，其第一布里渊区如图2所示。其中，图1中的r为基元半径，a为晶格常数，柱型为白色区域表示，硅基介质为黑色区域。在进一步控制变量定量分析过程中，分别改变柱型直径、基元形状以及基元旋转角度等结构参数，探讨这些参数对于光子带隙宽度的影响。
图1二维三角晶格硅光子晶体结构阵列
图2二维三角晶格硅光子晶体第一布里渊区
3.2 计算结果
利用comsol软件[10]，针对二维空气孔型硅光子晶体，研究的基元形状有如下几种：六边、正方以及圆形，如图3(a）所示。在方便计算分析的基础上，取圆形孔直径d=1，因此可得到六边、正方以及圆形的面积依次为0.866、1和π/4。
以上几种基元形状所对应的光子带隙及带隙中心随填充比例f的变化情况如图3(a)(b）所示，纵坐标表示带隙宽度，横坐标表示带隙填充比例f，并有定义f=d/a。
从图3可看出当f小于约0.77时，六边、正方以及圆形所对应的二维三角晶格硅光子晶体光子带隙宽度以及带隙中心的频率都是递增的，但其中正方形基元形状拥有最高的带隙宽度和中心频率，且圆形基元形状的最低。
填充比固定时，在同一晶格中基元形状的面积越大，则该光子晶体的光子带隙越宽并且中心频率也越高。当填充比例不断增大且变化为0.866时，二维三角晶格正方形基元结构逐渐变化成硅柱形。
除此之外，以上三种不同的基元形状中，六边形基元结构有更为宽的光子带隙峰值。在填充比f变化至1，即空间被空气填满时，空气孔结构并没有变化为硅柱结构。
图3
固定基元形状为六边形，研究基元旋转角与光子带隙的关系。
规定水平方向，取向角度为0°，具体取向方向可参照图3(a）。研究在旋转角度分别为0°、15°、30°以及45°时带隙宽度随着填充比f的关系。计算结果如图4(a）所示，可看出，六边形基元的带隙宽度随旋转角度变化既满足旋转对称性以及周期性又同时有各向异性。0°旋转角，任何填充比对应的光子带隙宽度都为最大值，可认为旋转角为0°时，是六角形基元对于二维三角晶格的最优取向。
图4
图4(b）是六边形基元在不同旋转角度时，带隙中心随着填充比f的变化关系。从图中可看出，在基元面积不变的情况下，带隙中心频率基本相同，基元旋转角度的改变对该结构中光子的束缚能力没有变化。
4、结论
在微电子领域面临提高集成度、运行效率，降低损耗和成本的背景下，硅光子晶体得到大量且广泛的研究，使得相关技术的突破成为可能。而光子带隙作为光子晶体中尤为重要的一大特性，对实现硅光子器件的优化升级有极其重要的作用。本文通过计算软件模拟了二维三角晶格硅光子晶体的物理模型，对基元形状做出调整，分析了六边、正方以及圆形形状对于光子带隙宽度及带隙中心频率的影响；在一种固定晶格的光子晶体中，其他条件为定量时，基元形状所占的空间比例越大，光子带隙显现出的结构越好。在填充比例变大的过程中，基元的取向固定的条件下，基元形状为六边形的二维三角晶格硅光子晶体带隙表现更加优秀。因此，在实验研究过程中，建立在结构上，可通过充分的填充来更好地实现对光子的控制，对今后的研究应用有指导意义。
参考文献：
[5]陈义万,杜海霞,陈昭蓉,等.二维光子晶体带隙与结构的关系[J].湖北大学学报(自科版),2016,38(3):19.
[7]方云团.光子晶体计算方法和传输特性[J].安庆师范大学学报:自然科学版,2019,17(2):16.
[8]蔡青,黄昌清,梁培,等.基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究[J].光子学报,2012,041(4):430-435.
[9]黄晓泽,周琦,饶黄云.利用平面波展开法在matlab中计算一维光子晶体的带隙结构[J].科技创新与应用,2019,9(13):29-31.
[10]邱伟彬,林志立.利用COMSOL仿真进行二维光子晶体的教学[J].高教学刊,2019,5(7):66-69.
王婷婷,杨运兴,李支新,孙晶.硅光子晶体结构参数对其带隙宽度影响分析[J].科技创新与应用,2020(24):20-22.
2022年， 全世界的糖尿病患者已超过5.37亿。 对于他们而言， 无创伤的血糖检测一直是他们的期待。 基于近红外光谱法的血糖检测是一个有前景的无创方法， 采用两个或多个光源-探测器距离进行差分测量的方法, 可以有效地提高活体光谱采集的稳定性， 也是目前该领域多采用的测量形式。
2024-05-11
提出了一种利用数码相机进行观测的新型分光计方案及其调节方法,并研制了实验样机.利用数码相机替代了传统分光计中的望远镜部分,可观察并记录相关光学现象.调节分光计时,首先利用数码相机镜头对焦于无穷远作为标准进行平行光调节,然后利用反射狭缝像的位置调节载物台与旋转轴的垂直,最后以载物台为基准调节数码相机及平行光管与旋转轴垂直.对新型分光计的特性分析及实验结果表明:该新型分光计具有调节难度低、测量误差小、能同时观测多条光谱线的特点。
2020-12-08
长波红外光谱(8～14μm)是介于中红外波段和太赫兹波之间的重要电磁辐射,对应着地球表面常温目标物体的辐射波段和地球“第三大气窗口”,相对于短波和中波红外辐射,长波红外辐射受大气散射影响较小。因此,长波红外辐射在红外夜视、资源探测、精确制导、安防报警等科研及国防领域具有极其重要的应用,为国家综合实力的重要体现。
2020-12-08
气体浓度检测一直是十分重要的工作,它与人类生活、环境变化和工业生产都息息相关,尤其是有毒有害气体的检测。近年来随着光谱技术的大力发展,可调谐半导体激光光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,TDLAS)已逐渐发展成熟,它具有灵敏度高、响应速度快、实时监测以及优秀的便携性等优点,成为了气体检测的重要技术之一。
2020-12-08
随着科学技术的不断发展进步，军事和镜头相关的工商业领域都越来越多的使用红外光学系统。尤其在军事方面，光学系统发展迅速，导致军事方面对光学系统的性能有越来越高的要求。通常情况下，摄远物镜的系统长度小于其焦距[1]，所以焦距相同时，把红外物镜设计成红外摄远物镜就可以很大程度上减少系统的制作成本。
2020-12-05
光刻工艺是集成电路制造中最重要、最关键的工艺步骤之一。随着半导体技术的飞速发展，图形越来越密集，特征尺寸越来越小，对光刻工艺分辨率的要求越来越高。光刻工艺中一个重要的性能指标是每个图形的分辨率。在先进的半导体集成电路制造中，为获得高集成度器件分辨率很关键。
2020-11-20
激光加工是一种非接触、无污染、无磨损的加工工艺，它包含激光切割、激光打孔、激光标刻等加工方式。激光打标技术已经在众多领域占有很大的比例，国家根据激光标刻行业制定了一系列的标准。工艺参数的设定在激光标刻过程中对其加工质量和效率起到了重要作用[1]。本文以激光标刻文字、条形码为研究对象，通过优化汉字笔画打标顺序和圆弧代替直线加工，能够激光标刻质量和效率。
2020-10-19
在我们最近的工作中[11],将RF白噪声和波长调制被同时添加到OA-ICOS系统中,提出了一种痕量气体检测的新方法(RF-WM-OA-ICOS)。与未受RF噪声干扰的OA-ICOS相比,RF-WM-OA-ICOS的探测极限提高了约6倍。本文将进一步地详细研究RF噪声扰动对WM-OA-ICOS系统的二次谐波信号的影响,并基于该技术建立了一套高精密的甲烷气体测量装置。
2020-09-09
自动随着公路建设的不断发展,对公路建设的质量提出了更高的要求,需要构建公路磨耗层质量自动监测模型,结合大数据信息处理方法,进行公路磨耗层质量自动监测的信息处理,提高公路磨耗层质量监测的自动化水平[1],从而提高公路建设的质量,提高对公路磨耗层质量信息健康管理水平[2],采用大数据信息管理和优化融合调度技术,进行公路磨耗层质量自动监测系统开发设计,在信息化管理平台下,进行公路磨耗层质量自动监测方法改进,对相关的公路磨耗层质量自动监测模型研究具有重要意义。
2020-08-10
激光线性结构光传感器具有结构简单，体积小等特点，广泛用于焊接的焊缝追踪，轨迹规划等，称为焊接过程自动化的关键技术之一。而在结构光条定位中，为了提高定位精度，提出了亚像素的概念，是指在相机得到的像素和像素之间还有几十到十几个微米的距离。而通常我们计算出的坐标都是正整数，这表示的是我们是在对像素进行操作，而亚像素计算出来的坐标是实数，能够极大地提高算法的精度。
2020-08-10
人气：3228
人气：3111
人气：2556
人气：2223
人气：2073
我要评论
期刊名称：光子学报
期刊人气：4681
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院西安光学精密机械研究所,中国光学学会
出版地方：陕西
专业分类：科学
国际刊号：1004-4213
国内刊号：61-1235/O4
邮发代号：52-105
创刊时间：1972年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
影响因子：0.735
影响因子：0.645
影响因子：1.369
影响因子：0.874
影响因子：0.385
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-08-10
389
上传者：管理员
