一维新型阶梯函数光子晶体透射特性

研究了阶梯型折射率n22、n11(阶梯分布高度)的大小、对应的分布厚度、不同入射角以及缺陷模对阶梯函数型光子晶体透射特性的影响.由费马原理给出光在函数光子晶体中的运动方程,再由电磁传播理论给出函数光子晶体的传输矩阵,进一步推导出函数光子晶体的透射率以及电场分布的表达式.研究表明,1)随n22,n11大小或者厚度改变,其禁带变宽;2)随光的入射角增加,其禁带变窄;3)当加入缺陷层时,随着缺陷层介质折射率增加,缺陷模强度减小且位置发生红移;4)在函数光子晶体中,缺陷层前电场分布保持不变,而在缺陷层处以及之后的电场强度都明显增强,这不同于常规光子晶体的电场分布仅在缺陷层处局域增强.     

一维函数光子晶体的研究

本文提出一种新型函数光子晶体, 其折射率是空间位置函数. 由费马原理, 我们给出光在一维、 二维和三维函数光子晶体中的运动方程, 以及一维函数光子晶体的色散关系、 带隙结构和透射率, 再利用传输矩阵理论研究函数光子晶体周期数、 入射角和介质层的厚度等对透射率和禁带结构的影响, 计算发现通过选择不同的折射率空间分布函数, 可以得到比传统光子晶体更宽或更窄的禁带结构. 这样为我们设计不同带隙结构的光子晶体提供理论依据.     

实现全反射镜功能的光子晶体禁带特性

用传输矩阵法研究一维光子晶体G(AB)mC(AB)mH的能带特性及电场分布,结果发现:随着m的增大,在830—883nm波长范围内,光子晶体G(AB)mC(AB)mH禁带中的导带透射率逐渐趋于零,即光被禁止通过,实现全反射镜功能,且随着入射角的增大,光子晶体的禁带逐渐向短波方向移动。随着介质层G、H的折射率增大,光子晶体在833.6—879.1nm波长范围内出现大的禁带,亦实现全反射镜功能。光子晶体G(AB)5C(AB)5H内部存在很强的局域电场,即在光子晶体内传输的光,被强烈局域在禁带范围内,并在缺陷层C处达到极大值,而且随着m的增大,局域强度增强。这些光学传输特性,为研究、设计新型光学器件全反射镜、滤波器等提供指导。     

一维缺陷光子晶体温度的测量

采用Si和SiO₂两种介质材料构造一维缺陷光子晶体，缺陷层介质为Si，利用传输矩阵法对带有缺陷的一维光子晶体的传光特性进行了理论分析，并得到其带隙特性.由于缺陷的存在，使得光子晶体的透射谱中产生缺陷峰.当被测温度变化时，根据两种介质的热光效应和热膨胀效应，光子晶体介质和缺陷层的光学厚度和折射率发生变化，透射谱缺陷峰产生漂移，由缺陷峰的中心波长漂移量得到被测温度的大小.构建了一维缺陷光子晶体测量温度的实验系统，实验结果表明缺陷峰中心波长与光子晶体所受的温度呈线性关系，测量灵敏度为0—2     

非线性包层光纤中TE0模的传播特性分析

本文对具有Kerr非线性包层和线性匀芯的光纤在不同光功率下的传播特性进行了理论分析和数值计算.结果表明,在适当光功率下,当模折射率N等于芯折射率n_f时,芯场变得相当均匀,而包层场迅速衰减.对于自聚焦包层,当从N<n_f逐渐变到N>n_f时,芯场剖面越过N=n_f从凸变凹.在拐点,芯场成为均匀的.论文给出了模场分布和光功率与模折射率的关系.指出纤芯出现匀场预期会在光纤器件、光电子器件、光子器件中得到应用.     

含复合缺陷层的光子晶体的光学特性

运用传输矩阵法研究了在一维光子晶体中插入缺陷层的透光特性。在无缺陷层的一维光子晶体中能产生467~510 nm、1 279~1 715 nm两处明显的光子带隙。重点研究了插入缺陷层后,在1 279~1 715 nm的光子带隙中缺陷层厚度和入射角度大小分别与透射光谱变化的关系。研究发现：缺陷模的位置对入射角变化很敏感;出现缺陷模的数量和插入缺陷层的数量相同;一维光子晶体厚度的增大不会改变缺陷模的数量和位置,只改变透射峰的宽度和透射率。     

实现多共振模的一维异质结构光子晶体

用两种正折射率材料设计了一维光子晶体异质结构模型,并利用传输矩阵法对该光子晶体的透射谱进行了理论研究。结果发现:光通过光子晶体时,在较宽的禁带范围内出现透射率为100%的多条共振模,且共振模的数目与光子晶体结构周期数m相对应;当入射角一定时,共振模的位置可以通过介质的折射率、厚度来调制;当入射光入射角度增大时,多共振模出现整体蓝移,同时共振模宽度变窄。这些特性有望应用于多通道窄带滤波器的设计。     

镜像对称缓变准周期结构一维光子晶体的缺陷模

利用传输矩阵方法,研究了镜像对称缓变准周期结构一维光子晶体的缺陷模。结果表明,当镜像对称缓变准周期结构一维光子晶体的周期数增加时,禁带宽度逐渐展宽;引入缺陷后,出现缺陷模,缺陷模的波长随缺陷层厚度增加和缺陷层介质折射率的增大而向长波方向移动。     

含特异材料光子晶体隧穿模的偏振特性

构造了由普通材料A(SiO₂)和电单负材料B组成的(AB)^N(BA)^N型一维光子晶体.数值计算表明原禁带的1907.3 nm处出现了一个十分尖锐的隧穿模. 入射角增加,该隧穿模的透射率和半峰全宽度均保持不变,但位置发生蓝移, 入射角在15°-65°的区间内,移动率的绝对值 |dλ/dθ| 较大.当B介质的磁导率μ_B 从5增加到10时,只是隧穿模的位置发生了红移. 介质的几何厚度增加时,隧穿模的透射率不变,但其位置红移明显,半峰全宽略有增加.     

含负折射率材料一维光子晶体的全方位带隙和缺陷模

运用光学传输矩阵理论,研究了含负折射率材料一维二元光子晶体的禁带特性和局域模特性,发现了一种新型全方位光子带隙.与传统的Bragg带隙相比,这种新型全方位光子带隙的中心频率和带宽对入射角的变化不敏感.讨论了引入缺陷层后,入射角变化和各层介质厚度做一定比例的缩放时对缺陷模位置的影响.这种特性在具有固定带宽的全方位反射器和微波技术中全方位或大入射角滤波器方面有重要的应用价值.     

一维光子晶体光学特性的复平面波展开法研究

应用复平面波展开法对一维光子晶体的光子带隙, 透射特性进行了分析. 通过对色散关系和透射系数的数值计算发现一维光子晶体周期结构个数以及折射率分布对光学晶体透射系数以及光子带隙的影响. 对于含有整数个周期结构的光子晶体有共振点出现在光子帯隙外的频率范围内, 共振点的个数比周期结构个数少1. 带隙倾斜斜率等于折射率的比值. 折射率比值越大, 带隙的范围越大.     

Modelling of 3D photonic crystals based on opals

The construction of 3D photonic crystals with gaps in the visible or the near-infrared frequency range requires engineering of complex microstructures which are very difficult to realize by etching and micro-fabrication. Consequently, self-ordered systems such as synthetic opals are very promising. Synthetic bare opals are constituted by SiO₂ spheres that organize themselves by a sedimentation process in a face centered cubic (fcc) arrangement. Using the plane wave method, we examine the photonic band structures of close-packed opal-based photonic crystals with an SiO₂ (n = 1.5) matrix. The incomplete photonic band gaps at the X- and L-points have been studied which correspond to normally incident plane waves onto the (100) and (111) crystal planes. With the transfer matrix method, we model the transmission properties. We find that the incomplete gap at the L-point fully inhibits the transmission of waves propagating in the [111] direction for opal sample thicknesses that are easily obtainable. This property shows that bare opals could be good candidates for complete inhibition of transmission in the near-infrared and visible frequency range for given orientations.     

用一维光子带隙结构增强硫化镉双光子吸收研究

用真空镀膜方法制备了含有单个CdS缺陷层的具有不同周期和结构参量的TiO2／SiO2一维光子晶体。用抽运一探测技术研究了CdS缺陷层的双光子吸收（TPA）现象。实验结果表明：一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收显著增强。不同周期和结构参量的一维光子晶体中CdS缺陷层的双光子吸收系数不同。双光子吸收的增强来源于由光局域化导致的缺陷层的电场强度的增加。缺陷层电场强度与一维光子晶体的结构有关,如周期,光子带隙的位置与宽度及缺陷模式等因素都会影响缺陷层电场强度。采用四分之一波长的高低折射率介质层和与入射波长匹配的缺陷模可以得到最大的缺陷层电场强度。     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

Photonic band gap of one-dimensional periodic structure containing dispersive left-handed metamaterials

Band structures of one-dimensional(1D)photonic crystals(PCs)containing dispersive left-handed metamaterials are studied theoretically.The results show that the structure possesses a type of photonic band gap originating from total internal reflection(TIR).In contrast to photonic band gaps corresponding to zero average refractive index and zero phase.the TIR gap exhibits sharp angular effect and has no polarization effect.It should also be noted that band structures of transverse electric(TE) and transverse magnetic(TM) mode waves are exactly the same in the PCs we studied.     

Angular tuning of defect modes spectrum in the one-dimensional photonic crystal with liquid-crystal layer

A one-dimensional ZrO₂/SiO₂ photonic crystal with a 4-n -pentyl-4' -cyanobiphenyl (5CB) nematic defect layer was used to investigate the transmission spectra of light polarized parallel and perpendicular to the liquid-crystal director at different angles of incidence. The spectra of the photonic crystal were shown to split into four polarized components T_ij at oblique incidence. When the incident angle increased, the bandgap edges and the defect modes shifted towards short wavelengths, while the amplitudes of the defect modes increased for the transverse magnetic polarization and decreased for the transverse electric polarization. The observed discrepancy between the defect mode amplitudes in the center and near the edges of the photonic bandgap was found to be related to the radiation losses inside the defect layer of a non-ideal photonic crystal. The simulated transmission spectra obtained using recurrence relations and taking into account the decay of defect modes are in good agreement with the experimental data.     

Properties of the defect mode in one-dimensional ferroelectric Si/C60 photonic crystals

In the present paper, a novel photonic crystal (PC) defect mode is designed by inserting a ferroelectric material layer (LiNbO₃) into Si/C₆₀ one-dimensional PCs. The band structure of the ferroelectric PCs is numerically analyzed by the transfer matrix method (TMM). The width of the photonic band gap increases by 80 nm and a defect mode appears at a central wavelength of 680 nm when a 150 nm LiNbO₃ layer is inserted into the Si/C₆₀ PC structure. The defect mode in the band gap shifts linearly with the change in electric field. The defect mode shifts by 11.2 nm toward shorter wavelengths when the thin film is subjected to a DC voltage of 1 KV.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

Band-structure properties of photonic superlattices

The band structure of a one-dimensional periodic array composed of two different layers of dimensions a and b characterized by refractive indices n ₁ and n ₂, respectively, is investigated. Refractive indices may take on positive as well as negative values. Within the Maxwell framework and using a transfer matrix technique for one dimensional periodic eigen-problems, we have determined a general equation, which governs the photonic band structure and the density of states (DOS) of one-dimensional photonic crystals. In addition to the well-known existence of the band gaps, we show that, depending on the width relationship b/a between the layer materials, super-lattices with null photonic band gap may exist and the conditions for such occurrences are established. Furthermore, we have been able to study the so-called 〈n〉 = 0 non-Bragg gap, ground ω₀, for which the average refraction felt by the propagating radiation is null. The text was submitted by the authors in English.     

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在理想条件下,为了研究等离子体参数、填充率、入射角度和介质层相对介电常数对一维三元磁化等离子体光子晶体的禁带特性的影响,用由传输矩阵法计算得到的TE波任意角度入射时的左旋极化波(LCP)和右旋极化波(RCP)的透射系数来研究其禁带特性。结果表明,仅增加等离子体碰撞频率不能实现禁带宽度的拓展,改变等离子体频率、填充率和介质层的相对介电常数能实现对禁带宽度和数目的调谐。改变等离子体回旋频率能实现对右旋极化波的禁带的调谐,但对左旋极化波的禁带几乎无影响。入射角度的增大使得禁带低频区域带宽变大,而高频区域带宽则是将先减小再增大。