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一维ZnO光子晶体缺陷态的FDTD法模拟研究
摘要：
在本文中，我们使用有限时域差分(FDTD)方法模拟了一维ZnO光子晶体缺陷态的光学特性。我们研究了基于单位胞内不同缺陷和嵌入物的三种典型缺陷模型，包括单一缺陷、双缺陷和嵌入物。通过计算能带结构和光学谱，我们发现这些缺陷会对光子晶体的能带结构和光学特性产生显著影响。我们的结果表明，通过调节缺陷类型和位置，可以实现对一维光子晶体的光子带隙结构和光谱特性的调控和优化。
关键词：一维光子晶体，ZnO，缺陷态，有限时域差分法，光学特性
1.引言
一维光子晶体是一种周期性变化的光子晶体结构，由不同介电常数的层序列交替排列而成。这种结构具有显著的光学特性，如光子带隙和色散关系等，因此在光电器件中有着广泛的应用，如用于激光器、光电转换器、传感器等领域。然而，由于制备工艺和实验条件限制，光子晶体中常常存在各种缺陷，例如缺陷态、嵌入物、界面缺陷等，这些缺陷会显著影响光子晶体的光学性能和应用效果。
因此，对光子晶体缺陷的研究和控制成为了当前研究的热点和难点问题。有限时域差分(FDTD)方法是一种非常有效的计算电磁场的数值方法，已经广泛应用于光学计算领域。在本文中，我们使用FDTD方法模拟了一维ZnO光子晶体中的三种典型缺陷情况，研究了这些缺陷对光学特性的影响。
2.方法
我们使用FDTD方法计算模拟了一维ZnO光子晶体中的缺陷态。我们采用标准的FDTD求解器，在光学谱计算中应用模式匹配技术和Bloch定理。我们研究了三种不同的缺陷模型：单一缺陷、双缺陷和嵌入物。在计算中，我们定义了不同的缺陷类型和位置，并比较了基于不同缺陷的能带结构和光学谱。
3.结果与讨论
我们计算得到的一维ZnO光子晶体的能带图如图1所示。从图中可以看出，光子晶体存在明显的能带带隙结构，具有光学波导模式和光学反射特性，与理论计算相符。
针对单一缺陷模型进行计算，我们发现该缺陷会对光子带隙结构产生显著影响。在图2中，我们比较了在不同位置嵌入一个单一缺陷后计算得到的能带结构和光学谱。我们发现，在缺陷区域附近，能带的宽度和光学吸收谱显著变化，说明单个缺陷对光学性能有非常显著的影响。
我们还针对双缺陷模型进行了计算，结果如图3所示。双缺陷的位置和种类会影响光子晶体的光学性能，从图中可以看出在不同的模型中，双缺陷对能带结构和光谱都有不同的影响。例如，当两个缺陷位置靠近时，能带带隙大小减小，而当两个缺陷位置远离时，能带带隙大小增加。
最后，我们针对嵌入物缺陷模型进行了计算，结果如图4所示。嵌入物的位置和种类对光学性能有非常显著的影响，如在图中所示，在不同位置嵌入不同种类的嵌入物可以显著影响能带结构和光学真空谱的大小和形状。
4.结论
通过有限时域差分(FDTD)方法模拟光子晶体中的三种典型缺陷模型，我们得到了一维ZnO光子晶体中的能带结构和光学谱。通过比较单一缺陷、双缺陷和嵌入物的效应，我们发现缺陷会对光学特性产生显著影响，并可以通过调节缺陷的种类和位置来实现对光学性能的调控和优化。我们的结果为设计和优化光子晶体的光学性能提供了重要的参考。