MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■0820  ▼a621.3
■1001  ▼aGao,  Ruoxing.
■24510▼aEfficient  Band  Diagram  Computation  for  Periodic  Structures  Using  Multiple  Scattering  Theory  and  Broadband  Green's  Function  (MST-BBGF)
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a119  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Tsang,  Leung.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2025.
■520    ▼aThis  dissertation  presents  a  high-efficiency  computational  framework  for  analyzing  electromagnetic  band  diagrams  in  three-dimensional  (3D)  periodic  photonic  crystals.  Photonic  crystals-artificial  structures  with  periodic  dielectric  modulation-have  enabled  novel  control  over  the  propagation  of  electromagnetic  waves.  Their  ability  to  support  photonic  band  gaps  has  led  to  widespread  applications  in  optical  communications,  quantum  photonics,  and  topological  insulator  design.  However,  computing  band  structures  for  complex  3D  geometries  remains  a  major  challenge.  Traditional  methods  such  as  plane  wave  expansion  (PWE),  finite  element  method  (FEM),  and  finite  difference  time  domain  (FDTD)  suffer  from  significant  computational  bottlenecks,  particularly  when  applied  to  high-index  contrast  materials,  irregular  scatterers,  or  dense  periodic  arrays.To  address  these  limitations,  this  work  introduces  an  advanced  approach  that  combines  Multiple  Scattering  Theory  (MST)  with  the  Broadband  Green's  Function  (BBGF)  technique.  The  MST-BBGF  method  decomposes  the  global  field  problem  into  local  scatterer  interactions,  using  vector  spherical  harmonics  and  Foldy-Lax  equations  to  formulate  a  compact  Korringa-Kohn-Rostoker  (KKR)  eigenvalue  problem.  The  BBGF  technique  accelerates  the  computation  of  periodic  Green's  functions  via  imaginary  wavenumber  deformation,  allowing  for  fast  and  accurate  broadband  evaluations.  Together,  these  techniques  form  a  highly  scalable  and  efficient  solver  that  circumvents  the  need  for  full-domain  volumetric  meshing.A  key  innovation  in  this  dissertation  is  the  introduction  of  a  general  T-matrix  extraction  method  that  enables  modular  modeling  of  arbitrarily  shaped  scatterers.  Unlike  traditional  methods that  rely  on  analytic  forms  (e.g.,  Mie  theory)  or  volume  integration,  this  work  proposes  the  use  of  far-field  scattering  amplitudes-obtained  through  full-wave  numerical  solvers  such  as  FEKO  or  HFSS-to  extract  a  single-scatterer  T-matrix.  Once  computed,  this  T-matrix  can  be  reused  across  all  unit  cells,  regardless  of  the  periodic  configuration,  substantially  improving  computational  efficiency  and  enabling  rapid  parametric  sweeps  across  geometries  and  frequencies. The  developed  MST-BBGF  framework  is  rigorously  validated  through  both  analytical  and  numerical  benchmarks.  Comparisons  against  FEM  simulations  demonstrate  that  the  proposed  method  achieves  results  with  excellent  agreement,  while  reducing  simulation  time  and  memory  requirements  by  two  to  three  orders  of  magnitude.  Analytical  validation  using  spherical  dielectric  scatterers  confirms  that  the  computed  band  diagrams  match  theoretical  predictions  to  within  negligible  errors.  Furthermore,  the  framework  supports  the  flexible  modeling  of  both  sparse  and  dense  periodic  lattices,  accommodating  structures  with  strong  near-field  coupling  and  high-order  multipole  interactions.To  demonstrate  the  full  capability  of  the  method,  the  dissertation  applies  the  MST-BBGF  solver  to  several  complex  and  practically  relevant  structures.  These  include  periodic  arrays  of  two-layer  triangular  prism  scatterers  and  core-shell  resonators,  where  the  T-matrix  must  account  for  multiple  internal  layers  and  asymmetry.  The  method  is  shown  to  capture  subtle  band  shifts  caused  by  high-order  scattering,  and  accurately  predict  the  emergence  of  complete  band  gaps.  In  the  context  of  topological  photonics,  the  framework  is  applied  to  systems  exhibiting  band  inversion  and  edge  state  formation,  highlighting  its  robustness  in  handling  symmetry-breaking  configurations.Overall,  this  dissertation  offers  a  powerful  and  generalizable  computational  tool  for  3D  photonic  crystal  analysis.  The  MST-BBGF  method  combines  physics-based  modeling, mathematical  efficiency,  and  numerical  versatility,  making  it  well  suited  for  current  and  next-generation  photonic  design.  Its  modular  structure  and  rapid  convergence  make  it  particularly  valuable  in  the  context  of  design  optimization,  inverse  photonic  design,  and  machine-learning-assisted  material  discovery.  The  method  opens  new  possibilities  for  analyzing  photonic  crystals,  topological  insulators,  metamaterials,  and  other  periodic  electromagnetic  systems  that  were  previously  out  of  reach  due  to  computational  limitations.
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aElectrical  engineering
■650  4▼aComputer  engineering
■650  4▼aMaterials  science
■650  4▼aTheoretical  physics
■653    ▼aPeriodic  structures
■653    ▼aBand  diagram
■653    ▼aMultiple  Scattering  Theory
■653    ▼aPhotonic  crystals
■653    ▼aFinite  element  method
■690    ▼a0544
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■690    ▼a0753
■690    ▼a0794
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bElectrical  and  Computer  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-03B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17359963▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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