非周期性一维圆柱形光子晶体的反射特性及其在多波长传感中的应用研究

本研究针对传统周期性光子晶体反射谱单一性的局限，通过CAMFR软件系统模拟了GaAs/AlAs半导体盘层按Fibonacci、Thue-Morse等非周期序列堆叠的一维圆柱形光子晶体。发现非周期结构可产生多重尖锐反射峰，其中双周期结构反射率高达25%，为多波长光学传感器设计提供了新思路。

　　

在光电子技术迅猛发展的今天，一维光子晶体因其独特的光调控能力成为研究热点。传统周期性结构虽能产生光子带隙，但其单一反射峰特性限制了在多波长传感等领域的应用。与此同时，微纳加工技术的进步使得复杂非周期结构的制备成为可能。这种背景下，Ferhat Nutku和Sakine G?k?in开展了一项创新性研究，通过对比周期性与非周期性一维圆柱形光子晶体的光学特性，为多波长光学器件的开发提供了理论依据。

研究团队采用CAMFR软件进行严格数值模拟，核心结构由GaAs和AlAs半导体盘层构成，直径0.04μm，外包覆层折射率2.90。通过系统分析Fibonacci、Thue-Morse、双周期和Rudin-Shapiro四种非周期序列，发现增加序列阶数可显著提升反射峰数量，而将周期数从1增至4则能使峰值半高宽缩小3-5倍。

数值计算
通过圆柱坐标系建模，设定入射光波长范围1-3μm。核心层厚度按λ_B=2n_effΛ公式优化，其中Λ为序列决定的等效周期。

结果与讨论
周期性结构仅产生单一反射峰，而非周期序列展现出独特的多峰特性：

• Fibonacci序列在3阶时出现4个反射峰
• 双周期结构反射率最高达25%，比周期性结构提升2.5倍
• 增加周期数使峰值半高宽从15nm降至5nm

结论
非周期结构通过数学序列精确调控介电常数空间分布，实现了多重尖锐反射峰（Q因子>200），为高灵敏度光学传感器设计开辟了新途径。该成果发表于《Optik》，对DWDM滤波器和生物分子检测器件开发具有重要指导意义。

值得注意的是，研究中所有非周期结构均保持严格确定性排序，这种有序非周期性突破了传统周期结构的局限，印证了Maciá和Poddubny等学者关于"非周期不等于随机"的理论预言。未来工作可结合ALD（原子层沉积）等先进制备技术，将此类结构应用于光纤布拉格光栅(FBG)的优化设计。