一维铁磁材料光子晶体的光学传输特性.pdf

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1、量子光学学报 l 3(2)：1 3 41 3 7，2 0 0 7 A c t a S i n i c a Q u a n t u m O p t i c a 文章编号：1 0 0 7-6 6 5 4(2 0 0 7)0 2-0 1 3 4-0 4 一维铁 磁 材料 光 子 晶体 的光学传 输 特性 苏希 玉，高 艳，王海锋(曲阜师范大学物理工程学院，山东 曲阜 2 7 3 1 6 5)摘要：利用光学传输矩阵方法，模拟计算了由铁磁材料组成的一维光子晶体的光学传输特性。研究 了能带 结构随介质层厚度 h(0 h 0 5 A A。=1 21 0 m)变化的规律，并与相同周期结构的普通光子晶体 的传输

2、特性进行了比较。结果表明，当0 1 5 A。h0 1 6 5 A。时，铁磁光子晶体的带隙宽度略小于普通光 子晶体的带隙宽度；在 h取其他值时铁磁光子晶体的带隙宽度远远大于普通光子晶体的带隙宽度，并且在 h =0 2 5 A 时存在最大值。这种结构的光子晶体通过掺杂有望在多通窄带滤波技术中得到广泛的应用。关键词：光子晶体；铁磁材料；带隙宽度；传输矩阵 中图分 类号：0 4 3 1 文献 标识 码：A 0 引言 人们对 光子晶体 的研 究 已有近 二 十年，无论 在理论 上还是实践 中都取得了重要进展。带 隙分 布和传输特性 是光 子 晶体 研究 的核心 内容，每一 种光子晶体 的设 计 和研 究

3、 都 要从 其 带 隙结 构 出 发：随着光子晶体在光电子和光通信 中的进一步 应用，人 们 希 望 研 制 出 具 有 较 宽禁 带 的 光 子 晶 体，这是发展多通道窄带滤波技术 的前提。在光子晶体 的研 究 中，介 电常数 和磁 导率 是描述均 匀媒质 中电磁场性质 的两个最基 本 的 物理量，对一般介 质而言，介 电常数 和磁导率 都是非负 的 常数，这 样 取 值计 算 比较方 便，所 以 大部 分 光 子 晶 体 的 研 究 中 都 取 和 为 常 数 一 ；但对铁 磁体 来说，其磁 导率 是 入射平 面 波场强 的非线性 函数 J，不能 把磁导 率看 作是一 个不变 的常数。本

4、文研究 了由铁磁 材料组 成的光 子 晶体，利用光学传 输矩 阵方法 对其 带 隙分布作 了详 细的研究。我们发现这 种光子晶体的禁带宽 度 随介 质层厚度 的增 加成 非线 性变 化，且在某 一 特定的厚度时 出现较宽 的禁带。1 理论模型 考虑 由 A、B两 种 不 同 的铁 磁 材料 沿 Z轴 方 向交替生长成 的多层膜体 系，如 图 1所示。图 1 一 维 光子 晶体 Fi g 1 1 D p ho t o ni c c r y s t a l 两种介质的实际厚度分别 为 d 和 d ，晶格周 期 为 d=d +d ，介质 的折 射率 分别 为 n 、n ，0 代表 电磁 波的传播方

5、向和介质表面法线方 向的夹 角。根据电磁波在分层介质 中的传输 特性可 以用 收 稿 日期：2 0 0 6-06 2 3 作者简介：高艳(1 9 8 1 一)，女，山东德州人，曲阜师范大学物理工程学院在读硕士研究生，主要从事光子晶体理论研 究 工作。$E-m a i l：g a o y a n 8 1 0 2 1 3 1 6 3 c o m 维普资讯 http:/ 苏希玉等一维铁磁材料光子品体的光学传输特性 1 3 5 传输 矩 阵描述。考 虑 T E波，任 意一 层(第 =(一c o s 6ij 一 主!s in f=2 1 7 c。s l=老 s 式中 n j，分别 为第 层 的折 射率、

6、介 电常 数、M=骞 M =，l J=1 1 朋 1，+一 一!一(Ml l+Ml 2 P，)P l+(M2 l+M2 2 P f)P。=c os O。，P，=c os ，。7 1：Pt I f I=(2)，古，；为介质 表 面处 的磁 导率。对于 由铁 磁导 体组 成的光子晶体，磁导率可用(2)式来 表示。2计算与分析 计算结 构 为(AB)m的十周 期 由铁磁 材 料 组 成 的一维光子 晶体 的能带结 构，取 A、B两种介 质 的折射率分别 为 n =1 5，n =3 0；为方便计算 取两介质层 的实 际厚度 d =2 d =h，两种 材料 的表 面 磁 导 率 都 取 为 1。计 算

7、中 取 参 数 a：n (A。是中心波长，A。=1 21 0 m)。设光是 0 从 空气 中穿过光子晶体 的，即。=，=1，。=，=1。以 T E波为例，不 考虑传 输过 程 中的电磁损 耗，我们 讨论介质层厚度在 00 5 A。范围内时，介质层厚度对 带 隙宽 度 的影 响，计算 结 果如 图 2 所示 1 O 喜8 藿 6 案 4 耋2 O O O O 1 O_ 2 O 3 O 4 O 5 T h i c k n e s s o f d i e l e c t r ic la y e r()图 2 带 隙宽度 随介 质层 厚度 的 变化规 律 F i g 2 Wi d t h o ft h

8、 e b a n d g a p V S t h e t h i c k ne s s o f di e l e c t r i c l a y e r 由图 2可 以看 出，在铁 磁 材料 光子 晶体 的禁 带宽 度 随 介 质 层 厚 度 显 著 变 化 的 范 围(0 0 5 A )内，普通光子 晶体的带宽与介质层厚度 近 J 似为线性关系，比例系数 K =3 1。而铁磁 g t 光子晶体 的带隙宽度 随介质层 厚度的增加则成非 线性变化。从 图中我们 可 以清楚 地看 到，介 质层 厚度在 0 1 5 A。0 1 6 5 A。之间时，铁 磁光子 晶体 的带宽是小 于普 通光 子 晶体

9、的，但 是 当 h取其 他 值 时，其带 宽远 远大 于普通 光子 晶体 的带 宽。计 算 表明，当 h=0 1 6 A。时，铁 磁光 子 晶体 的带 隙 维普资讯 http:/ 1 3 6 量子光学学报 宽度最小。图 3中(a )、(a )分 别 给 出 了铁 磁 光子晶体和普通光子晶体的透射谱。当=时，铁磁光子 晶体 的透射谱 中 的禁 C 里 价 E 价 C I-殳 价 E 价 -一 I-C o E 价 -一 I-带 宽 度 达 到 最 大 值。图 4 分 别 给 出 了 =竽 时 铁磁光子 晶体 和普通光 子晶体 的透射谱线。I n c i d e n t wa v e le n g

10、t h(1 m)I n c i d e n t wa v e l e n g t h(iu n)图3 (a )铁磁光子晶体的透射谱(a )普通光子晶体的透射谱 F i g 3 (a 1)T h e t r a n s mi s s i o n o f f e r r o ma g n e t i c m a t e ri a l p h o t o n i e c r y s t a l (a 2)T h e t r a n s mi s s i o n o f g e n e r a l ma t e ri a l p h o t o n i c c rys t a l g E I-I n

11、c i d e n t wa v e l e n g t h(p ro)I n c i d e n t wa v e l e n g t h(1 r n)图4 (b。)铁磁光子晶体 的透射谱(b )普通光子晶体的透射谱 F i g 4 (b 1)T h e t r a n s m i s s i o n o f f e rr o ma g n e t i c m a t e r i a l p h o t o n i c c rys t a l (b 1)T h e t r a n s mi s s i o n o f g e n e r a l ma t e r i a l p h o t

12、o n i c c rys t a l 3 结 论 本文利用 光学 传 输 矩 阵法 对 由铁 磁 材 料组 成 的一维光 子 晶体 的 能带结 构 进行 了数值 模 拟 计算。结 果 表 明，介 质 层 的 厚 度 h(0 s h 0 5 A。)对铁 磁光子 晶体 的带 隙宽 度有很 大 的影 响，并与普通光子晶体 的能带结 构与 介质层 厚度 的关 系作 了比较。当 0 1 5 A。h 0 1 6 5 A。时 铁磁光子 晶体 的带 隙 宽度 略小 于 普通 光 子 晶体 的带 隙宽度，h取其 他 值 时，铁 磁光 子 晶体 的带 隙宽度则远 大于普通光 子 晶体 的带 隙宽度，并 在 h=

13、0 2 5 A 时存 在最 大值。在 我们所 考 虑 的范 围 内，与传统 的光 子 晶体不 同，铁 磁光 子 晶体 的 带隙宽度与介 质层厚 度成非线性 关 系；适 当调节 介质 层 的厚度，可构 造具 有宽 禁带 的光子 晶体。铁磁光子晶体的这种 特性，在光 通信 波分复 用技 术和多通道滤波技术 中具有应用 价值。维普资讯 http:/ 苏希玉等一维铁磁材料光子晶体的光学传输特性 1 3 7 参考文献：1 L I R o n g，R E N K u n，R E N X i a o b i n，e t a 1 A n g u l a r a n d Wa v e l e n g h t h

14、 o f B a n d G a p s o f Ho l o g r a p h i c P h o t o n i c C r y s t a l f o r D i ff e r e n t P o l a r i z a t i o n s J A c t a P h y s i c a S i n i a(物理学报)，2 0 0 4，5 3(8)：2 5 2 0-2 5 2 5 F A N G Y u n t u a n S HE N T i n g-g e n，F A N Xi n l i n S t u d y o n O n e D i me n s i o n a l C r

15、ys t a l w i t h I mp u r i t y D e f e c t s J A c t a O p t i c a S i n i c a(光 学学报)，2 0 0 4，2 4(1 1)：1 5 5 7-1 5 6 0 N I A N HU A L I UD e c t Mo d e s o f S d r a t i fi e d D i e l e c t r i c Me d i a J 王先冲电磁场理论及应用 M 北京：科学 出版社，1 9 8 6：波恩 M沃尔夫 E 光学原理 M 北京：科学出版社1 9 8 7 P h y s R e v B，1 9 9 7，5

16、5(7)：4 0 9 7 41 O 0 230 L I U N H，ZHU S Y，CHEN H，e t a 1 S u p e r l u mi n a l P u l s e P r o p a g a t i o n T h r o u g h On e-Di me n s i o n a l P h o t o n i c Crys t a l wi t h a D i s p e r s i v e D e e t J P h y s R e v E，2 0 0 2，6 5(4)：0 4 6 6 0 7 4 6 6 1 5 Opt i c a l Tr a ns m i s s i

17、on Pr ope r t i e s o f One-di m e ns i o na l Fe r r o ma g n e t i c M a t e r i a l P h o t o n i c Cr y s t a l s S U Xi-y u，GAO Ya h，W ANG Ha i-f e n g (C o l l e g e o fP h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g，Q u f u N o r ma l U n i v e r s i t y，Q u f u 2 7 3 1 6 5，C h i n a)Abs t r ac t：T

18、h e o pt i c a l t r a n s mi s s i o n pr o p e r t i e s o f o n e-d i me n s i o n a l p ho t o ni c c r y s t a l s c o mpo s e d o f f e r r o ma g ne t i c ma t e r i a l s ar e c a l c u l a t e d wi t h t r a n s f e r ma t r i x me t h od s Th e l a w o f t h e ph o t o n i c b a nd g a p v

19、 a ry i n g wi t h t h e t h i c k n e s s h(h c h a n g e s f r o m 0 t o 0 5 A o)o f d i e l e c t r i c l a y e r i s s t u d i e d a n d c o mp a r e d w i t h t h a t o f o r d i n a ry p ho t o ni c c ry s t a l s whi c h h a v e t he s a me pe r i o di c a l s t r u c t ur e s I t i s f 0 u n

20、d t h a t t h e p ho t o ni c b a nd g a p o f t h e f e r r o ma g ne t i c c r y s t a l i s a l i t t l e s ma l l e r t h a n t h a t o f t he o r di n a ry p ho t o n i c c ry s t a l s wi t h i n 01 5A0 h 0 1 6 5 A o，o t h e r wi s e，i t i s mu c h b i g g e r t h a n t h a t o f t h e a t h=0

21、2 5 Ao Thi s k i nd o f p h o t o ni c c ry s t a l wi t h n a r r o w p a s s Ke y wo r ds b a nd f i l t e r i n g o r d i n a ry p ho t o ni c c rys t a l s The b i g g e s t b a nd g a p r e a c h e s a d de d d e f e c t s ma y f i n d i t s a pp l i c a t i o ns i n mu l t i-c h a n ne l c ry s t a l s；f e r r o ma g ne t i c ma t e r i a l s；wi d t h o f b a n d g a p；t r a n s f e r ma t r i x 1j 1 J 3 4 5 6 维普资讯 http:/