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光子晶体因具有光子带隙和光子局域的特性而具有潜力巨大的应用价值,人们对于光子晶体在实验和理论研究方面都有着浓厚的兴趣。
近些年,人们对具有周期性结构的光子晶体和具有无序度的介质中光学局域化(Anderson局域化)的理论和实践的研究以日剧增。目前,周期性固体微结构的制备技术已经相当完备,这为光学Anderson局域效应的研究提供了非常广阔的发展空间。硅基半导体是现代光电子器件制造中应用最广泛的半导体材料,相比于高分子材料,采用硅基材料作为实现光学局域的手段,更有利于硅基光电集成的实现与发展。因此,对具有一定无序性周期硅基固体微结构的光学局域的研究是非常有必要的。本论文主要包括以下几方面的内容:
第一章介绍了光子晶体的分类和性质、硅基材料的发展现状及三维微结构的制备方法以及光学Anderson局域效应的研究意义。
第二章介绍了本论文工作中利用的数值模拟方法原理及稳定性条件和吸收边界条件的选取,并介绍了其他几种数值模拟方法的原理。
第三章是关于光子晶体光学性质的研究。对算法稳定性进行了验证,研究了材料结构对局域光斑位置的影响以及入射光波长与局域光斑大小的关系。
第四章对光学Anderson局域效应进行了数值计算与理论分析,利用有限时域差分算法模拟计算了不同尺寸、不同无序度、不同入射光波长的情况下光源在介质材料中的传播情况。计算的结果表明在材料中构造固体腔结构可以有效控制局域光斑的位置,材料尺寸的选择对局域光斑的形成起重要影响,过大或过小都无法得到局域的光斑。通过分析得出材料的无序度对光局域的效果产生影响,当无序度很小(<10%)时,加入微扰后的增强效果与孔洞规则排列的情况相似,增强效果明显。其中,当无序度为7.7%时,可以获得最好的增强效果。此外,本章还研究了影响局域光斑尺寸的因素,结果表明入射光波长为影响局域光斑大小的主要因素,其等效直径与波长成正比,改变材料尺寸仍然可以得到同样的结论,但材料无序度对局域光斑尺寸的影响不大。
第五章是对本工作的总结与展望。