一維光子晶體的吸收特性與電場(chǎng)分布

王曉林，馬 季，吳向堯，劉曉靜，李 宏，張斯淇，王 婧，肖 利

（1.吉林廣播電視大學(xué)四平分校，吉林四平 136000；2.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林四平 136000）

一維光子晶體的吸收特性與電場(chǎng)分布

王曉林1，2，馬 季2，吳向堯2，劉曉靜2，李 宏2，張斯淇2，王 婧2，肖 利2

（1.吉林廣播電視大學(xué)四平分校，吉林四平 136000；2.吉林師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林四平 136000）

考慮一維光子晶體的吸收特性與電場(chǎng)分布，分析了吸收介質(zhì)和激活介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體吸收率的影響，并分別計(jì)算了有缺陷和無(wú)缺陷時(shí)的電場(chǎng)分布.

光子晶體；吸收率；電場(chǎng)分布

表示，在介質(zhì)層A和B中的傳輸矩陣MA和MB［12］分別為：

介電常數(shù)和真空磁導(dǎo)率分別為ε0＝8.854×10－12，μ0＝12.566×10－7.對(duì)于N周期結(jié)構(gòu)為（BA）N的光子晶體，其入射電磁場(chǎng)和出射電磁場(chǎng)的關(guān)系［12］為

其中M＝MBMAMBMA…MBMA.方程（2）即為入射角為θ的光在一維光子晶體中的傳輸矩陣.

光在一維光子晶體中傳播的透射系數(shù)t、透射率T、反射系數(shù)r、反射率R和吸收率A［12］分別為：

2 數(shù)值結(jié)果與分析

取基本參數(shù)如下：介質(zhì)層折射率nb＝1.7，na＝3.59，缺陷層折射率nd＝2.45＋0.009i，介質(zhì)層厚度b＝186nm，a＝423nm，缺陷層厚度d＝1 480nm，光子晶體結(jié)構(gòu)為（BA）12D（BA）12，研究波段λ為800～2 000nm，入射角θ＝0，入射光為T(mén)E波.為方便，定義吸收率為零的區(qū)域?yàn)闊o(wú)吸區(qū).

2.1 吸收介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體吸收率的影響

缺陷層折射率nd實(shí)部對(duì)光子晶體吸收率A的影響如圖1所示，其中圖1（A）和（B）分別為缺陷層折射率nd＝2.45＋0.009i和nd＝3.95＋0.009i時(shí)波長(zhǎng)與吸收率的關(guān)系曲線.由圖1可見(jiàn)，隨著缺陷層折射率實(shí)部的增大，光子晶體吸收率增加，無(wú)吸區(qū)的位置及寬度基本保持不變.

圖1 缺陷層折射率實(shí)部變化對(duì)吸收率的影響Fig.1 Influence of the real part of defect layer refractive index on absorption

缺陷層折射率nd虛部對(duì)光子晶體吸收率A的影響如圖2所示，其中圖2（A）和（B）分別為缺陷層折射率nd＝2.45＋0.009i和nd＝2.45＋0.016i時(shí)波長(zhǎng)與吸收率的關(guān)系曲線.由圖2可見(jiàn)，隨著缺陷層折射率虛部的增大，吸收率明顯增加，無(wú)吸區(qū)的位置及寬度基本保持不變.

缺陷層位置對(duì)光子晶體吸收率A的影響如圖3所示，其中圖3（A）和（B）分別為缺陷層在介質(zhì)層中間（（BA）12D（BA）12）和最后（（BA）24D）時(shí)波長(zhǎng)與吸收率的關(guān)系曲線.由圖3可見(jiàn)，隨著缺陷層位置的后移，吸收率減小，無(wú)吸區(qū)向短波方向移動(dòng)，寬度保持不變.

圖2 缺陷層折射率虛部變化對(duì)吸收率的影響Fig.2 Influence of the imagined part of defect layer refractive index on absorption

圖3 缺陷層位置變化對(duì)光子晶體吸收率的影響Fig.3 Influence of the position of defect layer on absorption

2.2 吸收介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體電場(chǎng)分布的影響

吸收介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體電場(chǎng)分布的影響如圖4所示，其中圖4（A）和（B）分別為不加吸收介質(zhì)缺陷（（BA）12）和增加吸收介質(zhì)缺陷（（BA）6D（BA）6）時(shí)12周期光子晶體內(nèi)部的電場(chǎng)分布情況，圖4（B）中加粗部分為缺陷層內(nèi)的電場(chǎng)分布情況.由圖4可見(jiàn)，當(dāng)增加吸收介質(zhì)缺陷時(shí)，光子晶體內(nèi)部電場(chǎng)與輸出電場(chǎng)明顯減弱.

圖4 吸收介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體電場(chǎng)分布的影響Fig.4 Influence of defect layer of absorptive medium on electron field distribution of photon crystals

2.3 激活介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體吸收率的影響

增加激活介質(zhì)（nd＝2.45－0.009i）缺陷層時(shí)波長(zhǎng)與吸收率的關(guān)系曲線如圖5所示.由圖5可見(jiàn)，當(dāng)缺陷層為激活介質(zhì)時(shí)，光子晶體吸收率A＜0，無(wú)吸區(qū)的位置及寬度保持不變.

綜上，本文研究了一維光子晶體的吸收特性與電場(chǎng)分布，可得如下結(jié)論：

1）隨著缺陷層折射率實(shí)部的增大，光子晶體的吸收率增加，無(wú)吸區(qū)的位置及寬度基本保持不變；

2）隨著缺陷層折射率虛部的增大，吸收率明顯增加，無(wú)吸區(qū)的位置及寬度基本保持不變；

3）隨著缺陷層位置的后移，吸收率減小，無(wú)吸區(qū)向短波方向移動(dòng)，寬度保持不變；

4）當(dāng)增加吸收介質(zhì)缺陷時(shí)，光子晶體內(nèi)部電場(chǎng)與輸出電場(chǎng)明顯減弱；

5）當(dāng)缺陷層為激活介質(zhì)時(shí)，光子晶體吸收率A＜0，無(wú)吸區(qū)位置及寬度保持不變.

圖5 激活介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體吸收率的影響Absorption of photon crystals with the defect layer of active medium

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（責(zé)任編輯：王 ?。?/p>

Absorption Property and Electric Field Distribution of One－Dimensional Photonic Crystals

WANG Xiaolin1，2，MA Ji2，WU Xiangyao2，LIU Xiaojing2，LI Hong2，ZHANG Siqi2，WANG Jing2，XIAO Li2
（1.Siping Campus，Jilin Radio and TV University，Siping136000，Jilin Province，China；2.College of Physics，Jilin Normal University，Siping136000，Jilin Province，China）

We studied the absorption property and electric field distribution of one－dimensional photonic crystals，the effects of absorbing medium and active medium defect layer on photonic crystals absorption property，and the electric field distribution of photonic crystals with and without defect layer，respectively.

photonic crystals；absorption ratio；electric field distribution

O436

A

1671－5489（2014）04－0807－04

光子晶體是由不同介電常數(shù)的材料按周期排列而成的人工微結(jié)構(gòu)［1－3］.由于光子晶體具有光子禁帶特征，即某些頻率的光不能通過(guò)光子晶體，因此人們可通過(guò)光子晶體對(duì)光進(jìn)行調(diào)節(jié)［4－6］.根據(jù)材料的空間排列結(jié)構(gòu)，可將光子晶體分為一維、二維和三維光子晶體.基于光子晶體的光學(xué)器件在低驅(qū)動(dòng)能量的非線性開(kāi)關(guān)和放大器、高品質(zhì)因子的光學(xué)微腔、無(wú)閾值的激光器、具有色散補(bǔ)償作用的光子晶體光纖和提高效率的發(fā)光二極管等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛［7－11］.目前，光子晶體研究主要集中在討論入射光的透射率、反射率和色散關(guān)系，本文在此基礎(chǔ)上研究一維光子晶體的吸收特性與電場(chǎng)分布，即討論吸收介質(zhì)缺陷的折射率實(shí)部、虛部和位置對(duì)光子晶體吸收率的影響，增加吸收介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體電場(chǎng)分布的影響以及增加激活介質(zhì)缺陷對(duì)光子晶體吸收率的影響.

1 原 理

10.13413／j.cnki.jdxblxb.2014.04.34

2013－09－16.

王曉林（1959—），男，漢族，副教授，從事凝聚態(tài)物理的研究，E－mail：wangxiaolin1256＠126.com.通信作者：肖 利（1958—），男，漢族，教授，從事凝聚態(tài)物理的研究，E－mail：xlwl2004＠126.com.

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：20130101031JC）.