论文总字数：14627字

目 录

一 引言 ...............................................2

1.什么是光子晶体....................................2

2.光子晶体的应用.....................................3

3.作为温度传感器一维光子晶体的优点...................5

二 计算方法.............................................5

1.传输矩阵法 （TMM）.................................5

2.时域有限差分法 （FDTD）............................9

三 计算模型与数值分析..................................12

1.计算模型..........................................12

2.数值分析..........................................13

四 结论 ..............................................15

五 参考文献.....................................17

六 致谢.........................................18

超高分辨率一维光子晶体温度传感器

朱威威 20121326013

应用物理学，南京

摘要：

对于超高分辨率一维光子晶体温度传感器，由于一维光子晶体含耦合缺陷的不对称结构如果选择对外界温度非常敏感的材料作为光子晶体的填充，即使温度变化非常微小时，也会使缺陷模频率的反射率有显著的变化。首先介绍了光子晶体和光子晶体的应用，其次介绍了作为温度传感器一维光子晶体的优点，具有灵敏度高等优点。然后介绍了两种计算方法：传输矩阵法，时域有限差分法。在进行模拟计算与数值分析。本文按照这一原理，设计了一维光子晶体温度传感器.

关键词：传感器 光子晶体 耦合波分析

Abstract:

For ultra-high resolution one-dimensional photonic crystal temperature sensor, due to the asymmetric coupled one-dimensional photonic crystals containing defect structure if you choose to the ambient temperature sensitive material as fill of photonic crystals, even if thetemperature change is very small, also can make thereflectivitythedefectmodesfrequencyhaveobviouschanges. First introduces the application of photonic crystals and photonic crystals, secondly introduced as the advantages of the photonic crystal temperature sensor, has advantages of high sensitivity. Then introduces two methods of calculation, the transfer matrix method, the finite difference time domain method. The simulated calculation and numerical analysis. In this paper, according to this principle, a one-dimensional photonic crystal temperature sensor is designed.

Key words: sensor photonic crystal coupled wave analysis

引言

1. 什么是光子晶体

1987年，E.Yallonovitch和S.John[1][2]在研究抑制自发辐射和光子局域时分别同时各自发表来，光子晶体这一新的名词被第一次提出来。 光子晶体，从它所具有构造构上分析，光子晶体是一种在光学构造方面上带有周期性介电构造的人为制作和开发的晶体。能带与能带中间产生的带隙，被称作为光子带隙。如果一个光子所具有的能量是在带隙内的，那么这个光子不能进到该晶体内。半导体和光子晶体在基础的讨论方法上有非常多的相同的地方，事实上我们能够制作出，开发出光子晶体及一些相关的器件，进而到达对光子的一系列运动的控制这一目的。光子晶体，又被人们叫做光子禁带材料，这种材料的问世，使人类能够控制和操纵光子变成了现实。

光子晶体是带有光子带隙特点的人造周期构造[3][4]。光子晶体具有光子局限、限制物体自己发生辅射等性质。光子晶体的分类有三种：一维的，二维的光子晶体，和三维光子晶体。 光子晶体的缺陷层、带隙这一性质为光子晶体的制造与理论研究提供巨大的帮助。传感器是一种能够感受被测量的信息并把反馈到的信息有序的方式转换成容易读取并且容易记录的信号的检验器材，是信息检查系统的一种重要的器件。本文研究的一维光子晶体温度传感器利用光子晶体的特殊性质发展光子晶体传感器是一个非常重要的研究。光的主要性质之一是它的相位的性质，在光子晶体中，可以说全部光的物理征象都与相位特性有主要的联系。

除此之外，光子晶体还有一个非常独特的特点，被称作为光子局域[5](photon localization)。若是在光子晶体中原有的周期性或对称性受到了外界毁坏,那么在它的光子禁带中就很有可能发生频率非常窄小的缺陷的状态,其中与缺陷态频率[6]相同的光子会被局限在出现的缺陷位置,一但光子偏出了缺失的位置，光子就会将迅速衰退。在制作精良的没有排序介电材料构成的光子晶体中,光子会显现很强烈的Anderson局限[7]。此外,二维光子晶体对不同的入射电场方向有TM,TE两种偏振模型的光，他们拥有不一样的光子禁带地域。

一维光子晶体[8]是很多特别的材料在光子禁带的构造上只拥有一种方向。这种构造是光子晶体的最简易的基本构造，光与介质材料的互相影响决定了它的光学性质，当然光子带隙在方向上具有单一性。

光子晶体的应用

随着社会的持续发展，半导体材料的应用远远满足不了科技进步所带来的需要。光子晶体的在实际方面的应用十分广泛，在生产光子器物这一领域有非常大的开发力量。目前为止，已经有很多的光学器件是利用光子晶体被创造，展现给人们。像光子晶体光纤，激光器，以及高效率的发光二极管等等。尤其光子晶体在传感器方面的使用非常多，例如生物传感器，全息传感器，应变传感等。光子晶体的良好的性能是由他独特的特点形成，许许多多的传统的光学器件将由光子晶体所取代。

光子晶体的最基本的性质是出现光子禁带,传播到禁带中的光是被不能再传播的， 所以光子晶体自己独有的光子带隙对物质的自发的辐射有抵抗作用，用它做全反射镜效果会很好。由于自发辐射的频率的态与他的概率成正相关,当在光子晶体里面放某个粒子时,它的自发射出的光的频数刚刚好处在光子禁带中的时侯,因为该频率光子的态的数量是没有的,所以自发辐射几率为0,自发辐射则被抑制。当然与之相反,光子晶体也能够使自发辐射变得强烈,只要把频率光子的态的数量相应的增多便能够得到,如果在光子晶体中混有其它的物质时,光子禁带中则会显现非常高的混杂的状况,这会使他的密度变得异常大,因此就能够让辐射变得越来越大。 

图 1.1 光子带隙图

想要使光子禁带呈现需要依靠于下面这几个方面的影响:光子晶体的图形特点,介点常量的比情况,最后一个是光子晶体他那与众不同的构造。,要是光子晶体中各个介质的介电常量的相差非常大的话,介质就会发生布拉格散射在相交边界的地方，而且介电常数越高,入射的光的散射非常明显,就会越容易出现光子禁带。在离光子禁带很近的地方，也就是光子带曲率变化很快的位置，光子晶体的有效折射率随频率的变化很快，这片区域可以作为棱镜使用，也被称为超级棱镜。

再近些年的发展过程中, 光子晶体的材料制备研究与制作多数集中在短波段的、以及光子晶体器件的应用和带隙的分析与计算这些方面,由电子容纳率材料制备的非线性光子晶体的分析与制造此时已经存在一部分人在进行光子晶体激光器件、非线性振幅器件、光脉冲压缩器。目前这一一系列的工作还处于刚刚起步的层次, 我们可以设想在未来的多年内这些研究的进行会有重大的突破。

光子晶体天线

光子晶体天线的制作十分简单容易，所以再生产方面有很好的前途。光子晶体天线是利用了光子晶体的微小波的阶段，就当前而言，以光子晶体为基础的行阵天线，超宽频带的天线和高增益的天线，还有高方向性系数以及隐蔽天线的研究都获得了重要的研究成果，光子晶体天线将会越来越好，变得越来越有它的价值和一席之地。

光子晶体除了在这些方面的应用，它也可以提高很多探测器各方面的性能。因为光子晶体中有很多的纳米空隙。可以在生物，环境和人体的检测方面有良好的应用。光子晶体也可以应用在量子信息的处理上，例如如果一个量子点处在光子晶体的微腔中的话，那么这个量子点和微腔相互作用会增强。

光子晶体光纤传感器

光子晶体光纤传感器[8]是用不同种类的光子晶体制作数的传感器，光子晶体光子纤维的出现使得光信息电子技术又一次的得到进一步的发展。光子晶体光纤也被称为微构造光纤，又或者孔比较多的光纤。可以由它的传导光子的机制的不同，分为PBG光子带隙型光子晶体光纤和TIR全内反射型光子晶体光纤这两种。光子晶体光纤的特点是带有全新的晶体构造和与众不同的光学性能。所以光子晶体光纤还可以应用在光学集成电路，光纤传感，超宽色散补偿，超后端脉冲激光器等。在加上通过和其他材料的混合设计与制造，会有更多的用途。从这里我们可以看出光子晶体光纤在未来拥有非常大的潜力，会给我们带来更多的技术的革新。光子晶体光纤传感器件有很多种，例如吸入型光子晶体制造的光纤的传感器件，干扰型的等等。

当光子晶体光纤传感器在未来的制作变得越来越普及的时候，它的技术会的不断地发展，包括在食品的生产，化工业的生产过程中，光子晶体光纤传感器良好的优点和性能会更好的体现出来，传感范围大，精确度高，抗外界干涉强等。并且还能够提高多个参数传感，实时传感和温度交替敏感性的系统的稳定性。

光子晶体也可以在化学方面的传感有相应的应用。到了21世纪，生物化学传感器也逐渐的新兴起来，光子晶体特殊的多孔构造和特殊的光学性质让人们见到了新的科学，3D裸眼检查技术。此外，光子晶体在有毒试剂的检测，水溶液离子的检测，气体传感器，湿度传感器，温度传感器，压力传感器等都有非常好的应用。下面我会先容一维光子晶体在温度传感器相关的讨论与介绍，以及一维光子晶体作为温度传感器的一些优点。

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