一维光子晶体带隙结构研究

在考虑介质色散的基础上,研究了介质层厚度对光子晶体带隙结构的影响.利用传输矩阵法,计算了以LiF和Si两种材料组成的一维光子晶体带隙结构.结果表明,介质层厚度的增加会引起禁带的红移,厚度减小会引起蓝移.分析了含空气缺陷层、金属缺陷层的光子晶体结构,发现空气缺陷层对带隙结构的高反射区域变化不大,而在低反射区域,反射系数为零的波带之间出现了两边反射系数增加,中间反射系数减小的情况.在金属缺陷层的带隙结构中,金属对整个波长范围光的吸收作用不同,金属对低反射区1.6 μm、1.85 μm处透射率较大的透射光吸收作用明显,而在1.28~1.38 μm处透射率波长区间,几乎无吸收.     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点. 关键词： 金属光子晶体 频域有限差分法 全禁带     

修正的频域有限差分法在二维金属光子晶体分析中的应用

与介质光子晶体相比,金属光子晶体的带隙特性在毫米波和亚毫米波波段有着重要的应用价值.基于Yee网格的频域有限差分法推导得出的本征模方程,求解后能方便而又可靠地得出介质光子晶体的带隙图和场分布.但由于金属与介质的本质差异,该方法不能直接应用于金属光子晶体.文中引入了金属表面边界条件,推导了二维金属周期结构的光子带隙本征模方程.通过数值计算,得出了不同晶格结构（正方/三角格子）下两种模式（TE/TM）的全禁带特性,并与介质周期结构的禁带特性进行对比,分析了金属周期结构在模式选择和器件集成方面的优点.     

光波在一维周期介质中传播的色散和反射

从光的电磁理论出发导出了光在一维周期介质中的特性矩阵的表达式. 运用特性矩阵方法对光在周期介质中的色散关系、光子带隙、反射率光谱等特性进行了数值模拟和理论分析,在此基础上还讨论了与光子带隙相应的反常折射率.     

一维光子晶体与光学多层介质膜

本文阐述了一维光子晶体和光子禁带的概念,对比了一维光子晶体与光学多层介质膜在结构和特性方面的联系和差别,运用薄膜光学的理论和方法讨论了多层介质膜的高反射带与光子禁带和膜系结构参量的关系.     

二维三维混杂及准三维嵌套复式光子晶体带隙研究

提出了由两套晶格嵌套组成的全新二维/三维混杂及准三维嵌套复式周期光子晶体结构,并通过理论计算获得了带隙位置主要取决于外周期晶格常量,内周期有助于获得超窄禁带的新型带隙特性.这种内外结构周期效应同时发挥带隙调制作用的性质是该类嵌套复式结构所特有.从理论上验证了嵌套结构利用小尺寸周期调制大波长禁带的可行性.     

异质三周期光子晶体的光子带隙特性

利用传输矩阵法研究了由TiO₂和SiO₂两种材料构成的异质三周期一维光子晶体的传光特性,发现该结构能在波长为200~ 2 000 nm的范围内形成7处比较明显的光子带隙,并且波长越大,带隙的宽度越大。重点研究了这种结构的光子晶体的透射谱线与入射角度、介质层数及介质层厚度的关系,发现该结构形成的光子带隙的大小和位置对介质层的循环周期数不敏感,但对入射角度和介质层的厚度很敏感。     

旋转对二维正方晶格介质柱内空结构光子晶体禁带的影响

采用平面波展开的方法计算了三种旋转操作下二维正方晶格各向异性材料(Te)介质柱内空结构光子晶体TE,TM模式能带.讨论了三种旋转操作对TE,TM模式带隙及完全光子禁带的影响.发现TM模式高频带隙与结构的旋转对称性有着密切的关系.而TE模式的带隙不仅受到晶体旋转对称性的影响同时也受到介质在x-y平面分布情况的影响. 关键词： 二维光子晶体 内空结构 旋转操作 光子带隙     

周期排列共振放大介质的小信号增益特性研究

研究一维周期排列共振放大介质的小信号增益特性.研究结果表明小信号增益随着作用长度的增加表现出异常的放大特性.在满足严格布拉格共振条件下，介质折射率分布形成的带隙和增益效应之间的相互竞争决定了透射光场的变化.进一步讨论了增益大小与激子参数和共振原子之间的依赖关系. 关键词： 周期共振放大介质 小信号增益 光子带隙     

一维光子晶体的有效折射率

本文针对有限周期的一维光子晶体引入了有效折射率的概念.利用传输矩阵的方法计算了光子晶体的复透射系数,在此基础上进一步得到了有效折射率的解析表达式.考虑到光子晶体的特殊空间结构及其存在光子禁带的特性,进而探讨了光子晶体带隙结构的特征及其有效折射率与光子晶体单层材料的折射率、光学厚度、物理厚度和中心波长的关系.研究发现组成单层材料的两种介质的折射率的比值和单层材料的物理厚度影响有效折射率的振荡幅度,单层材料的光学厚度影响有效折射率的振荡周期.中心波长对有效折射率无影响.     

紫外区全角度光子晶体反射镜

根据角域叠加原理,在石英玻璃基板上用全介质膜系实现了紫外区域全角度一维光子晶体反射镜的设计。采用两个不存在全角度反射带的一维光子晶体在角域上叠加,通过传输矩阵方法,从理论上计算合成光子存在全角度禁带,禁带波长范围328．95～352．11nm,相对带宽为6．80％。实验上采用HfO2和SiO2两种薄膜材料,用电子束蒸发的方法在石英玻璃基板上制备合成光子晶体。若透射率在1％以下为光子晶体禁带,则禁带波长范围从331．2～350．4nm,相对带宽5．63％。从而证明了角域叠加设计的正确性。     

Diffraction and localization in low-dimensional photonic bandgaps

We show that, in low-dimensional photonic bandgaps, wave diffraction resulting from localization in the translational-invariant directions is strongly influenced by the photonic band structure of the periodic crystal, leading to new kinds of wave localization. In particular, for a periodic layered structure we show that, close to a bandgap edge, diffraction is enhanced, with a transition from a parabolic diffraction curve-typical of isotropic media and supporting Gaussian beams-to hyperbolic or elliptic diffraction curves. In the last two cases localization in the form of stationary X-shaped or sinc-shaped waves is possible.     

Photonic bandgap plasmonic waveguides

A type of a plasmonic waveguide has been proposed featuring an "open" design that is easy to manufacture, simple to excite and offers convenient access to a plasmonic mode. Optical properties of photonic bandgap (PBG) plasmonic waveguides are investigated experimentally by leakage radiation microscopy and numerically using the finite element method confirming photonic bandgap guidance in a broad spectral range. Propagation and localization characteristics of a PBG plasmonic waveguide have been discussed as a function of the wavelength of operation, waveguide core size, and the number of ridges in the periodic reflector for fundamental and higher order plasmonic modes of the waveguide.     

中红外完全带隙Si反蛋白石光子晶体的制备与光学性能研究

通过溶剂蒸发对流自组装法制备SiO2胶体晶体,采用低压化学气相沉积法填充Si,制备得到Si反蛋白石(opal)三维光子晶体.采用扫描电子显微镜对Si反opal的显微形貌进行表征,采用平面波展开法理论模拟Si反opal的光子带隙,采用傅里叶变换红外光谱仪测试其光学性能.研究结果表明:Si在SiO2微球空隙内填充致密均匀,显微红外光谱测试的光子带隙反射峰位置及带宽与理论计算基本符合.变角度反射光谱测试表明,Si反opal沿不同角度入射时在中心波长3319nm处均存在明显的反射峰,证明其具有完全光子带隙,带隙位于中红外大气窗口区域.     

高反射率硅基薄膜一维光子晶体的研究制备

采用射频等离子体增强化学气相沉积的方法,研究制备了一种基于硅基薄膜的高反射一维光子晶体。通过交替改变反应气体组分实现低折射率Si Ox层和高折射率a-Si层的交替层叠沉积,具有两种膜层介质折射率比大、反射率高、沉积时间短、工艺窗口宽等优点。采用5周期的Si Ox层与a-Si层构成的一维光子晶体(厚度分别为155 nm和55 nm),其禁带范围内(650~1 100 nm)的平均反射率达到99.1%,高于相同波长范围内Ag的平均反射率(96.3%)。     

异质结构光子晶体的能带特性研究

运用光学传输矩阵理论,研究了异质结构光子晶体的能带特性。结果表明,与周期结构相比异质结构光子晶体可以显著地拓宽光子晶体的光子带隙;在该文提出的结构中引入缺陷,与(1H1L)m(1H)n(1L1H)m光子晶体相比,产生缺陷模式光子带隙范围明显拓宽,适当调整缺陷层的数目、位置和厚度可得到多通道滤波;并研究了实际操作中随机误差带来的影响,随无序度的增大,其带宽基本不变。     

Numerical studies of 2D photonic crystals: Waveguides,coupling between waveguides and filters

In photonic crystals, light propagation is forbidden in a certain wavelength range, the bandgap. In a two-dimensional crystal composed of parallel high-refractive index rods in a low-index background a line defect can be formed by removing a row of these rods, which can act as a waveguide for frequencies in the bandgap of the crystal. In order to get more insight into the main features of such waveguides we have studied a number of properties, using simulation tools based on the finite difference time domain method and a finite element Helmholtz solver. We show conceptually simple methods for determining the bandgap of the crystal as well as the dispersion of a waveguide for wavelengths in this bandgap. For practical applications, it is also important to know how much light can be coupled into the waveguide. Therefore, the coupling of light from a dielectric slab waveguide into the photonic crystal waveguide has been examined, showing that a coupling efficiency of up to 83% can be obtained between a silicon oxide slab and a waveguide in a crystal of silicon rods. Finally, calculations on an ultra-compact filter based on reflectively terminated side-branches of waveguides (similar to tuned stubs in microwave engineering) are shown and discussed.     

用特征矩阵法研究一维激光全息光子晶体的禁带特性

介质中传播方向相反的2束激光干涉可形成具有一维周期结构的体积全息图,而这种全息图可以看作一维光子晶体,称为一维激光全息图光子晶体,用特征矩阵法研究了一维激光全息图光子晶体的透射谱中的禁带随入射角、记录波长、介质折射率、折射率调制度的变化规律。结果表明：当入射角变大,激光波长、介质折射率及介质折射率调制度变小时, 禁带的位置向短波方向移动, 禁带宽度减小。     

Compact and broadband waveguide taper based on partial bandgap photonic crystals

Partial bandgap characteristics of parallelogram lattice photonic crystals are proposed to suppress the radiation modes in a compact dielectric waveguide taper so as to obtain high transmittance in a large wavelength range. Band structure of the photonic crystals shows that there exists a partial bandgap, The photonie crystals with partial bandgap are then used as the cladding of a waveguide taper to reduce the radiation loss efficiently. In comparison with the conventional dielectric taper and the complete bandgap photonic crystal taper, the partial bandgap photonic crystal taper has a high transmittance of above 85% with a wide band of 170 nm.     

Periodic thin-film interference filters as one-dimensional photonic crystals

We review the photonic band gap-related properties of a simple periodic system of thin dielectric layers. Properties associated with forbidden and allowed bands of such one-dimensional photonic crystals are presented. A revision of the properties of forbidden bands leads to an omnidirectional Bragg mirror design. The anisotropy of allowed bands suggests the formation of photon-focusing caustics in one-dimensional photonic crystals.