在共面波导上加载集总电容电感制备单负材料

为了探索实现单负材料的方法,研究了在共面波导上加载集总电容和电感元件制备单负材料。首先通过理论分析和微波实验,证实了在共面波导上周期性地加载集总电容和电感元件能够实现两种单负材料(电单负材料和磁单负材料)。然后,针对该制备方法,进一步研究了加载电容电感周期性的破坏及加载电感对称性的破坏对单负带隙的影响。结果表明:周期性的破坏对单负带隙基本没有影响;对称性被破坏后,如果电感分布在共面波导中心导带的两侧,仍然能够获得单负材料。

单负材料异质结中电磁波的传播特性研究

利用在共面波导传输线上加载电容电感实现了单负材料,对由电单负材料和磁单负材料组成的异质结中电磁波的传播特性进行了研究。结果表明:由于电磁波能够在由两种单负材料组成的异质结中发生隧穿,利用基于共面波导传输线的单负材料异质结则可以实现具有亚波长特性的谐振腔,并且加载电容电感周期性的破坏对异质结中电磁波隧穿现象的发生及隧穿频率没有影响。

含单负材料对称型一维光子晶体隧穿模的特性

构造了由电单负材料A和磁单负材料B组成的(AB)N(BA)N型一维光子晶体,利用传输矩阵法进行了数值计算。结果表明:其带隙中出现了一隧穿模。此隧穿模具有如下特征:入射角θ增加,隧穿模向短波方向移动,且其半峰全宽变窄,入射角越大,变化越明显;介质层的几何厚增加,隧穿模向长波方向移动,且移动量和介质厚度的增量间存在线性关系;A介质的介电常数εA或B介质的磁导率μB增加,隧穿模向长波方向移动,移动量与εA或μB的增量呈非线性关系,但εA越大或μB越小,隧穿模的半峰全宽度越窄。上述参数变化时,隧穿模的透射率始终保持为1。

含单负材料光子晶体隧穿模的偏振特性

为探讨含磁单负材料光子晶体的偏振特性,构造了由普通材料A(SiO2)和磁单负材料B组成的(AB)3(BA)3对称型一维光子晶体。数值计算结果表明,垂直入射时,原禁带的1 907 nm处出现了一个十分尖锐的隧穿模。对TE波,入射角θ增加、B介质的介电常数εB或几何厚度减少时,禁带边缘蓝移,宽度变窄,隧穿模的透射率和半峰全宽保持不变,但其位置蓝移。上述3个参数分别变化时,TM波的透射谱及隧穿模的变化规律与TE波的相同,只是入射角增加时,TM波禁带长波边缘的蓝移量小于TE波的。隧穿模的这些偏振特性对高品质滤波器的设计具有指导意义。

单负材料一维光子晶体的透射谱特性

利用传输矩阵法研究了单负材料一维光子晶体(AB)m(ADBDB)n(AB)mA的透射谱,发现:透射谱中出现2个共振隧穿模,其位置和间距可由周期数m或n,以及介质层厚度d调节控制。改变m,会出现2个恒定间距的共振隧穿模;改变dA,共振隧穿模间距增大,且当dA≥25mm时,间距增大加剧;改变n,共振隧穿模逐渐趋于简并,当n≥6时,两隧穿模合二为一;改变dD,两共振隧穿模亦逐渐趋于简并,当dD≥20mm时,两隧穿模亦合二为一。这些特性可为利用光子晶体设计可调性高品质单通道、双通道滤波器提供参考。

一维含单负材料光子晶体塔姆态的偏振特征

用磁单负材料A和电单负材料B组成了（ABBA）N型一维光子晶体，利用传输矩阵法计算表明：在4500~7500 nm间出现了3个塔姆态。这些塔姆态有如下特性：入射角增加，其透射率不变，但半峰全宽度变窄，位置发生蓝移；在同一入射角时，TM波塔姆态的蓝移量大于TE波的。两介质的几何厚度同时增加时，TE波和TM波塔姆态的透射率和半峰全宽度均保持不变，但其位置都发生了红移。A介质的介电常数 A增加, TE波和TM波塔姆态的透射率均保持不变，但位置都发生了红移，其半峰全宽度都是先变窄再变宽。

含单负材料的一维光子晶体的杂质模

采用转移矩阵的方法研究了含单负材料的一维光子晶体中掺入双层正常材料杂质时杂质模频率的变化问题.研究结果表明,杂质模频率与晶格常量的标度无关,且对晶格常量的涨落很不敏感.同时,通过增加杂质层厚度及层数发现,杂质模频率随之减小,而它的变化率随之增加,且杂质模消失在低频带边的速度会越来越快.

单负材料组成光子晶体的多量子阱结构

通过传输矩阵法,对负介电常数材料和负磁导率材料组成一维光子晶体的多量子阱结构的共振隧穿特性进行了研究。结果表明,该结构中存在不受入射角和偏振模式影响的全方向共振隧穿模,其数量可以通过调节结构周期数来实现。共振峰的品质因子可以由外部障碍光子晶体的厚度比例调整。在研究单负材料损耗时,发现电损耗对低频处共振模影响大,而磁损耗对高频和低频处都有较大影响。

单负材料填充包层的矩形波导模式特性

【目的】通过求解矩形波导模式特征方程,计算矩形波导横向场分布,研究电磁波在单负材料矩形波导中的传播特性以及该波导参数对其导模Exmn的影响规律。【方法】基于电磁场的波动理论和马卡梯里假设,利用图解法对波导有效折射率及横向电场分布进行求解,并分析波导模式的频率色散关系。【结果】该矩形波导的传播模式Ex0n和Ex1n为x方向衰减的表面模,仅当m>1时,波导的传播模式才是振荡导模;固定波导芯子层厚度不变,当导波频率增大时,高阶模向高频方向移动的速度比低阶的快;保持m>1,当m或n增大时,Exmn模式的截止点均向波导孔径增大的方向移动,且相邻模式的截止间距相等。【结论】单负材料包层的矩形波导既支持存在低阶表面模的条件,也支持存在高阶振荡导模的条件,波导孔径大小对导波模有很好的调制效果,可实现宽孔径多模传输和小孔径单模传输的功能。

三层单负材料为周期单元异质结构光子晶体的透射特性

应用传输矩阵法研究了以三层单负材料组成周期单元的异质结构光子晶体(ABA)M(CDC)N(ABA)M(CDC)N的光子禁带,相比于由两层单负材料构成的光子晶体(AB)M,具有更狭窄的通带,对结构周期数和入射角同样是不敏感。研究还发现,平均介电常数和平均磁导率均为零的该异质结构,其能带宽度随晶格常数的增大而逐渐变窄,这一特性可以用来设计单通道滤波器件,同时由于电磁波有效波矢量为零,利用这一特点可以设计零有效相位延迟滤波器。

两类单负材料组成的一维光子晶体的光学特性研究

从光的电磁理论出发,导出了光在单负材料周期性结构的传输矩阵。利用光学传输矩阵法对由两类单负材料组成的一维光子晶体的光学传输特性进行了数值模拟和理论分析。结果表明,这种结构具有一类新型的光子带隙。与布喇格带隙不同的是,这类光子带隙不会随着晶格常数的缩放而移动。

含单负材料一维光子晶体的偏振特性

利用传输矩阵法,讨论了由单负材料组成的光子晶体的偏振特性。结果表明:垂直入射时,TE模和TM模的透射谱完全相同。当入射角θ增加时,两模的透射谱均向短波方向移动,禁带的宽度增加,且TE模的变化大于TM模的。入射角越大,变化越明显。光子晶体的周期数N增加时,准禁带底部逐步降低,宽度稍有变窄,禁带的位置和宽度均保持不变。但位于两禁带间通带顶部震荡峰的数量M增加,且M和N之间满足M=N-1。介质的几何厚度增加时,TE模和TM模的透射谱均向长波方向移动,禁带的宽度增加,反之亦然。当介质的几何厚度的变化量相同,两模透射谱禁带宽度的变化量也分别相同。

由单负材料组成的对称型一维光子晶体的偏振特性

利用传输矩阵法,讨论了由单负材料组成的对称型一维光子晶体的偏振特性。结果表明:入射角较小时,TE、TM两波隧穿模的中心位置基本相同。入射角θ增加,两隧穿模均向短波方向移动,且其半峰全宽变窄。入射角θ>20°时,两隧穿模的蓝移量增加,且TM波的移动量大于TE的,入射角越大,这一变化越明显。周期数N增加时,两隧穿模的位置保持不变,半峰全宽变窄;TM波隧穿模的透射率保持为1,而TE波的有所下降。介质的几何厚度增加时,两隧穿模均向长波方向移动,隧穿模的透射率保持不变。两介质几何厚度的变化量相同,两隧穿模的移动量也分别相同。

基于含单负材料光量子阱结构的全向多通道滤波器

分析了含单负材料的光量子阱结构中的振荡透射模的性质.用两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替周期堆叠形成的两个光子晶体构造了一维光量子阱结构,该结构中仅其中一个光子晶体含有零有效位相带隙.数值计算结果发现,在零有效位相带隙内存在振荡透射模.通过改变井区域光子晶体内单负材料层的厚度及周期数,振荡透射模的数目、频率及频率间隔均可调节.振荡透射模对入射角度的依赖均很弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量保持在0.02以下.该研究结果可用于设计多通道全向滤波器.

对称单负材料平面波导的波导模

基于经典电磁理论建立了芯层为单负材料的对称三层平板波导的导波方程,采用图解法研究了该波导中的TE和TM波导模,分析了TE波导模和TM波导模会受波导参数μ1/μ2和R的影响,给出TE模和TM模解的横向场分布图。结果显示,在单负材料的对称三层平板波导中只存在慢波导模,TE慢波模只能在磁负材料中传播,TM慢波模只能在电负材料中传播,TE偶模和TM偶模会出现"双模共存"现象。利用结果可以设计慢波奇模单独传输的慢波器件。

单负材料一维光子晶体的带隙和局域模特性

利用传输矩阵法研究了由两种单负材料构成的一维周期性结构的透射谱。研究发现,单负材料光子晶体中存在着一个特殊的禁带,禁带宽度取决于两种单负材料的厚度比,而与晶格常数、入射角无关。在光子晶体中引入缺陷,可以在禁带中出现局域模。随着缺陷层厚度的增加,局域模向低频方向移动。随着入射角的增大,局域模会发生改变。在一定条件下,可以实现TE或TM局域模的全向透射。

单负材料光子晶体异质结构的双通道滤波

通过传输矩阵方法,研究了单负材料光子晶体异质结构的双通道滤波特性.结果表明相比传统的双通道滤波结构,该结构中两个滤波通道频率可以单独调整,而不影响另一个通道.同时,两个滤波通道频率位置对入射角的变化不敏感.当考虑单负材料损耗时,损耗仅仅影响透过率的大小,而双缺陷模频率位置,即滤波通道,则不受影响.该特性对设计全方向双通道滤波器具有潜在的应用价值.

损耗型单负材料双层异质结构的反常场局域

通过计算损耗型单负材料双层异质结构中的透射、反射和吸收随损耗系数的变化,对单负材料双层异质结构基于损耗的光学性质调控进行了研究。首先,对损耗型单负材料单层结构的透射行为进行了计算,给出了单层结构随损耗系数增大的非单调透射的变化图像。接着,计算了损耗型单负材料双层异质结构中的透射、反射和吸收随损耗系数的变化曲线,并分析了不同频率下透射与损耗系数之间的关系。研究结果表明,在远离隧穿频率处,随损耗系数的逐渐增大,异质结的透射呈现出先减小后增大的变化。计算的电磁场强度分布图像表明,双层异质结中透射与损耗系数之间为非单调关系,起源于损耗型单负材料界面处的反常场局域效应,即随着损耗系数的增大,场局域先减弱后增强。

一种单负材料对的反射型带阻滤波器

为了探索利用单负材料在微波器件中应用的可能性,建立了基于单负材料对的反射型带阻滤波器的等效传输线模型,理论推导了其工作原理,提出了设计方法,并对其性能进行了数值仿真.结果表明:在一定的频率范围内具有较好的滤波特性.从而验证了本文提出方法的可行性.

含单负材料的一维光子晶体异质结构的缺陷模分裂

由两种单负(负介电常数或负磁导率)材料交替堆叠而成的一维光子晶体异质结的周期结构中,发现了缺陷模的孪生分裂现象。在此异质结中,仅有一光子晶体存在零有效位相(zero-φeff)带隙。计算结果显示,随着异质结的周期数增加,zero-φeff带隙内的缺陷模将发生分裂,分裂后的缺陷模对称地分布在带隙中央的两侧。当异质结的周期数为偶数时,总能在zero-φeff带隙中找到两缺陷模,其频率与异质结的周期数为2时的缺陷模相同;对应这两缺陷模频率的电场在异质结构中传播时,呈周期的丛生状分布。