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作者：刘夫成班级：光电073指导教师：秦希峰、梁毅,砷化镓基二维光子晶体带隙结构的研究,1,本论文工作内容,砷化镓的特性光子晶体的特点光子晶体带隙的计算方法砷化镓基二维光子晶体带隙的研究,2,砷化镓的特性,砷化镓，是一种重要的半导体材料，属闪锌矿型晶格结构，禁带宽度1.4eV。与Si相比，GaAs晶体有很多优点:室温下GaAs比Si和Ge禁带宽度大，使GaAs器件的允许工作温度范围比Si器件更宽;GaAs是直接带隙材料，而Si和Ge为间接带隙结构，这使GaAs比Si和Ge具有更好的光学特性，同时GaAs的少子寿命很短，由辐射等所产生的电子一空穴对能迅速复合，可减少对电路性能的影响，具有良好的抗辐射特性;尤为重要的是，GaAs单晶中电子迁移率比Si单晶中大5倍，使GaAs器件在工作频率、开关速度、和低功耗等方面较Si有明显的优势。,3,光子晶体的特点,光子晶体是一种介电常数随空间周期性变化的新型光学微结构材料。光子禁带是指一定频率范围内的光子,在光子晶体内的某些方向是被严格禁止传播的。,4,二维光子晶体的应用,光子晶体光纤微波天线发光二极管,是一种带有缺陷的二维光子晶体。光纤包层由规则分布的空气孔排列成三角形或六边形的微结构组成;由于引入空气孔可以得到传统光纤无法实现的大折射率差,而且改变空气孔的大小和排列可以控制其光学特性,因此设计上更加灵活。,光子晶体光纤和普通光纤相比,具有无截止单模特性、超大数值孔径、独特的色散性和超连续光谱等特性,5,微波天线,微波天线体积小、重量轻,在军事及民用方面都有广泛的应用。传统的微波天线的制备是将天线直接制备在介质底座上,这样就导致了大量的能量被天线基底所吸收,因而效率很低。最早利用光子晶体的特性来改善天线的辐射性能是用光子晶体代替传统的金属来做天线的基底。当发射电磁波的频率落在光子晶体的光子带隙时,可以大大抑制表面波,抑制基底吸收,提高天线的发射效率。目前人们主要是直接用光子晶体来设计微波天线,用以大幅度提高天线的准直性和发射效率。,6,光子晶体带隙的计算方法,平面波展开法时域有限差分（FDTD）法多极法传输矩阵法多重散射法,7,平面波展开法,平面波展开方法是目前最常用的计算光子能带结构的方法之一。该方法的主要计算思想是，首先把光子晶体的介电函数根据其周期性展开成傅里叶级数;同时把入射电磁波在倒易空间进行平面波展开;然后将两者的展开式代入光子晶体主方程，从而将该波动方程转化为矩阵形式的本征方程;最后根据矩阵本征方程编写计算机程序，沿着不可约布里渊区边界计算方程的本征值，将大量本征值连接成线，就得到了光子晶体能带结构。,8,砷化镓基二维光子晶体带隙的研究,本文以TETM入射波做模拟，利用平面展开法，通过Rsoft应用软件，计算研究第1能带和第2能带之间的带隙变化规律。其中a表示晶格常数，r表示空气孔六边形边长，即圆形气孔半径。,下图所示为圆形气孔六边晶格结构排列图,9,1.a不变，r变化对带隙的影响，TM、TE分别作为入射波,a不变时，两图的带隙宽度随着半径先增大后减小，分别在r=0.44m、0.485m左右时，带隙宽度达到最大值;由图可看出晶格常数a不变，改变半径时，中心频率随半径增大而增大，在半径较小时对带隙影响较为缓慢，半径较大时影响较为迅速。,10,2.a不变，r变化对带隙的影响，TM、TE同时入射,TM模的带隙范围较大，从r=0.19到0.5的范围内都存在带隙，在0.45附近最宽。TE模的带隙范围较小，直到r=0.38附近才出现。而r=0.42时才出现完全带隙，在0.45附近最宽。,11,3.r不变，a变化对带隙的影响，TM、TE分别入射,从以上两图中可以看出，在分别选择TMTE作为入射波时出现了明显的光子带隙，但TM变化比较明显。带隙在扫描的一开始就出现了，随着a的值增大带隙逐渐变窄，中心频率也随着周期变大而减小。,12,4.r不变，a变化对带隙的影响，TM、TE同时入射,13,总结,本文简单介绍了砷化镓物质的性质，并对光子晶体做了较详细的介绍。因为光子晶体对于实现全光通信、光子计算机等起着极其重要的作用，因此人们对它的研究也是越来越深入。为得出砷化镓基二维光子晶体的带隙结构，本文运用平面波展开法对光子晶体空气孔型完全禁带的影响因素进行了分析。主要针对砷化镓基选取了晶格常数和半径两个参数，通过Rsoft应用软件计算，得出了光子晶体禁带的特性：六边形空气柱光子晶