多层对称薄膜的光子晶体光波导设计

基于多层对称薄膜的反射镜作用,设计了一种工作波长位于1550nm附近的基于周期性多层膜的光子晶体光波导。由平板波导的相关理论分析了波长在1515~1587nm范围内电磁波在波导中的传输性质。研究表明TE模和TM模在波导都是基模传输,其功率约束因子(Γ)限制在0.99~1之间,说明波导近乎完全将光波限制在其中传输。在控光能力上这种结构要比普通的三层薄膜波导更具优势。利用周期性多层膜的光子带隙结构,可以构造具有超低损耗的全向带隙介质光波导。     

不同晶格常数光子晶体构成的光量子阱中的共振模

用基于平面波的传输矩阵法分析由具有不同晶格常数的光子晶体材料构成的光量子阱结构中的共振模，发现湮没于垒层的阱层能带分离成共振模，且共振模的数目随阱层的厚度变化而改变。提出一种新型的非对称量子阱结构模型，由2块晶格常数不同的光子晶体材料和夹在光子晶体材料中间作为阱层的均匀介电材料构成，并对其中的共振模进行了分析。指出当阱层厚度达到构成垒层的光子晶体晶格常数的一半时出现一个共振模，若继续小量增加阱层厚度将使共振模频率出现红移。最后给出一种基于平面波的传输矩阵法，且对于不同晶格常数的光子晶体量子阱结构均有效的数值模拟方法，可用于研究由三维光子晶体材料或者色散材料组成的光子晶体量子阱结构。     

高透射率慢光速的光子晶体耦合腔波导的研究

将二维三角晶格光子晶体波导和微腔结构结合,优化设计了一种二维三角晶格光子晶体共振耦合腔波导,运用时域有限差分法(FDTD)模拟共振耦合腔波导TE偏振光的透射谱,通过透射谱得到传输光的透射率和群速度。结果表明,合适参数的二维三角晶格共振耦合腔波导在波长1.551μm处的群速度为c/130、透射率为20.1%,在波长1.502μm处的群速度为c/50、透射率为29.2%。运用平面波展开法(PWE)计算的该波导的能带结构对慢光特性进行了分析。这种慢光特性的光子晶体波导将在光存储、光延迟及光子集成等方面有潜在的应用价值。     

高效异质结构四波长波分复用器的设计与优化

将两光子晶体单模波导平行、邻近放置构成一个光子晶体波导耦合结构.根据耦合和解耦合理论,设计了一种新型的高效异质结构四波长波分复用器.应用时域有限差分法模拟了该器件的效率,并通过改变一排介质柱的折射率,实现了较高的透射率.进一步发现在入射口处添加三对介质柱,可以有效地降低系统的反射,实现了四个波长的高效传输,四个波长的透射率均超过了90%.该器件不仅具有较高的透射率,而且其尺寸仅为36 μm×17 μm,在未来的光子集成回路中具有潜在的应用价值. 关键词： 光子晶体波导 耦合 异质结构 波分复用     

单负材料组成光子晶体的多量子阱结构

通过传输矩阵法,对负介电常数材料和负磁导率材料组成一维光子晶体的多量子阱结构的共振隧穿特性进行了研究。结果表明,该结构中存在不受入射角和偏振模式影响的全方向共振隧穿模,其数量可以通过调节结构周期数来实现。共振峰的品质因子可以由外部障碍光子晶体的厚度比例调整。在研究单负材料损耗时,发现电损耗对低频处共振模影响大,而磁损耗对高频和低频处都有较大影响。     

一种新型高效光子晶体多信道下载滤波器的设计

采用二维正方排列的光子晶体,根据微腔缺陷模和波导模共振耦合原理,设计了一种新型的多信道下载滤波器,该滤波器通过主波导、90°弯波导和共振微腔的组合,提高了各个信道下载波导的下载效率。利用二维时域有限差分法模拟了滤波器的传输特性,并理论分析了影响下载效率的因素,进一步对滤波器进行了优化,使得各信道下载波导的下载效率均在91%以上。模拟结果表明该滤波器能有效地实现光波的分波下载,传输谱信道波长间隔约为20nm,中心波长误差为±2nm,传输谱的最大半宽度为3.2nm,有良好的波长选择性,证实了增大下载波导和共振微腔的耦合区域可以有效地提高滤波器的下载效率。     

一种紧凑的、可调的、基于缺陷共振的光开关

采用平面波展开法(PWM)和时域有限差分(FDTD)法,研究光在含点缺陷的光子晶体波导中的传输特性.计算结果表明,通过引入两共振腔(点缺陷),处于共振频率附近的光波将被完全反射回光子晶体波导.由于共振频率随点缺陷的折射率的变化而改变,这种现象可用来设计可调光开关. 关键词： 光子晶体波导 缺陷共振 光开关 透射率     

耦合腔光子晶体慢光波导结构

在单线缺陷结构中引入两个附加的相邻介质柱,构成一种新型的光子晶体耦合腔波导结构.通过平面波展开法对波导结构的的慢光特性进行了仿真分析,研究了平移线缺陷上下两侧介质柱,以及改变腔体的长度对器件色散特性和群速度的影响.结果表明:与平移缺陷上下两侧介质柱相比,通过改变腔体的长度,不仅可将光群速度低到0.03c(c为真空下的光速),而且器件的有效波长范围接近20nm.利用时域有限差分法得到波导结构的传输场分布图,研究波长的选取对入射激励光在光子晶体耦合腔波导中传输场的影响,发现结构参量优化后的光子晶体耦合腔波导仍然具有良好的传输特性.     

亚波长周期性各向异性金属薄膜的等离子体共振特性

 基于各向异性模型,运用全矢量的3维时域有限差分法（FDTD）,研究了在外磁场作用下,亚波长周期性各向异性金属薄膜的表面等离子体共振机制和特性,即由周期性穿孔形成的局域波导共振和由周期性结构引起的光子晶体共振效应。研究发现:当薄膜厚度一定时,两种等离子体共振模式都会随着外磁场的增大而向短波方向移动;而当外磁场一定、薄膜变厚时,周期结构因素引起的共振传输峰向长波方向转移,波导共振传输峰向短波方向转移;通过调控外加磁场的大小或方向可控制光通过金属薄膜的增强传输效应。     

新型金属-多层绝缘介质-金属表面等离子波导结构的传输特性

设计了一种新型金属-多层绝缘介质-金属表面等离子波导结构,利用时域有限差分法对其传输特性进行数值分析。研究了有效折射率和传播长度与中间多层绝缘介质厚度之间的关系,并分析了金属层的角度对该波导结构中场分布的影响。结果表明:当光波从波导结构上方垂直入射时,电磁场被限制在多层介质中的高折射率区,实现了场的耦合传输。多层绝缘介质的厚度均为220 nm时,正六边形金属层结构对应的波导结构的传输性能较为理想。该结构能够实现亚波长尺度的光限制,可以应用于光电子集成和传感器领域。     

二维平板光子晶体直波导的制备和光传输特性的测量

利用聚焦离子束刻蚀的方法在SOI(silicon on insulator)基片上制备了W3型二维光子晶体直波导.观察并测量了近红外激光通过光子晶体波导的散射图形和透过谱.实验结果说明，激光在有引入引出脊形波导的光子晶体直波导中具有很好的传输特性. 关键词： 光子晶体波导 光子带隙 脊型波导     

点缺陷二维光子晶体波导的出射光集束

光子晶体器件在高密度集成光通信中有广泛的应用,为解决光子晶体波导出射光场的空间控制,采用时域有限差分法分析光子晶体波导结构的缺陷传播特性,提出基于点缺陷优化波导结构,通过在波导出射口两侧加上点缺陷,出射光方向性有显著提高,实现三点光源干涉系统的光集束。模拟结果表明缺陷态越靠近能带结构中央,共振腔的耦合效率越高;相反,缺陷态越靠近能带结构边缘位置,则共振腔耦合效率越低,因此,选取禁带区域四分之一处对应的点缺陷,可以有效实现波导出射的光集束。     

加入增益介质的表面等离子体激元耦合共振波导传输特性理论研究

将增益介质加入金属环构成的表面等离子体激元耦合共振波导,利用传输矩阵及时域有限差分方法研究了不同增益系数下该耦合共振波导的透射谱线、色散关系以及群折射率.结果表明,增益介质共振频率附近的反常色散及正常色散变化能有效影响由共振波导几何结构决定的色散关系曲线,且具有相反的效果,分别使其变得平坦和陡峭,从而放大和缩小由共振波导几何结构决定的群折射率.另外,增益系数随外加抽运光改变的特点使得加入增益介质的耦合共振波导具有传输性能可灵活调节特性.文章的研究对促进耦合共振波导在高密度光学集成中的广泛应用具有积极意义. 关键词： 增益介质 耦合共振波导 表面等离子体激元 群折射率     

光子晶体中双通道之间能量的转移

从理论和实验上分析了光子晶体中双通道之间能量的转移.在双通道之间引入复合型光子晶体波导,通过调节复合型波导的内部参数，使其满足一定的条件，就可以实现双通道之间能量的完全转移，从而实现了光的定向传输.在实验中，测得了输出端的透过谱. 关键词： 复合型光子晶体波导 能量转移 定向传输     

喇叭型开口光子晶体波导的传输谱研究

设计一种喇叭型开口二维光子晶体波导,利用时域有限差分法计算波导传输谱图。模拟结果表明：通过改变开口处光子晶体椭圆点缺陷的结构,传输谱图中将出现相应变化的缺陷模,可用于实现频率可调的窄带光子晶体滤波器。     

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。     

带有T型腔的MIM波导的法诺共振特性研究

设计了一种带有枝节的金属-介质-金属(MIM)波导与T型谐振腔侧耦合的表面等离子体光波导结构。利用有限元法(FEM),数值分析了改变耦合距离、T型腔几何尺寸及其不对称性、枝节高度对法诺(Fano)共振谱线的影响。结合电磁场分布进一步揭示了Fano共振现象产生的物理机理,由此可以动态调节表面等离子体波在结构中传输时产生的Fano共振特性。另外,研究表明在T型腔内填充不同折射率的材料,利用所设计的波导结构可以实现灵敏度高达940nm/RIU的纳米尺度的折射率传感器。最后研究了结构的慢光传输特性,可以在Fano峰值附近实现约0.025ps的光学延迟。这种新型的表面等离子体光波导可能会在光子器件集成、慢光效应及纳米传感领域有着较大的应用前景。     

高品质因子和高传输效率的二维光子晶体耦合腔波导研究

基于时域有限差分方法,通过仿真计算设计了一种具有较高品质因子和传输效率的二维光子晶体耦合腔波导结构。通过改变二维光子晶体波导微腔结构中隔绝波导与微腔的空气孔的半径和数量,在获得近似90%的传输效率的同时,使得品质因子达到了8.20×104。为了使品质因子在大幅度提高的同时,传输效率只有小幅度的降低,在波导微腔结构中引入了链式微腔。将链式微腔结构与传统的波导微腔结构相结合,使这种新形式的耦合腔结构的品质因子提高了1个数量级,传输效率仅下降了约40%。     

基于多圆环谐振腔MIM波导多路分频特性

在可见光到近红外频段,利用时域有限差分数值模拟计算方法,研究了一种多圆环形金属-介质-金属等离子体波导结构的电磁传输特性.结果表明,由于谐振作用,不同波长电磁波能量被分别束缚于圆环中,之后被耦合到各出口端进行传输,从而实现了电磁波的多路分频传输功能.圆环的共振波长与圆环半径之间存在近似线性关系,且随着圆环内填充介质折射率的增大呈现明显的红移现象;各出口端共振波长对应电磁能量的传输率随着介质波导与圆环间耦合厚度的增大而急剧降低.利用电磁波共振理论阐述了电磁能量的谐振束缚现象,与数值模拟结果吻合.研究结果可应用于未来光子集成器件中.     

实现圆偏振光非对称传输的完全光子禁带光波导异质结构的设计

从理论上提出了一种可以实现圆偏振光波非对称传输的器件设计。该器件是由锗、硅以及空气孔洞构成的具有完全光子禁带的二维光子晶体异质结构。本研究通过在光子晶体中引入线缺陷,构成能够实现高正向透射的光波导结构,同时设计可将光波发散的微腔结构并结合全反射原理抑制反向入射光,实现圆偏振光非对称传输,最终实现了圆偏振光在光通信波段(1550 nm)附近的高正向透射率(可达0.726)的非对称传输。圆偏振是具有固定相位差(π/2)的任意正交线偏振光的线性叠加,本研究设计的结构同时可以实现任意线偏振光的非对称传输,因此具有广泛的应用前景,其应用领域包括量子通信、信息处理、集成光学。