有效折射率微扰法研究单缺陷光子晶体平板微腔的性质

应用有效折射率微扰法结合二维/三维平面波方法研究了施主和受主缺陷型H1微腔的性质, 使用修正后的有效折射率可以准确地计算微腔的腔模频率, 与三维全矢量时域有限差分法的计算结果很相近. 对于施主型H1微腔, 以介质带边为匹配标准修正的有效折射率计算的微腔腔模频率误差最小, 而对于受主型H1微腔, 匹配标准则应设置为中间带. 有效折射率微扰法既可以将计算的维度从三维降到二维, 大大减少计算所需的计算机内存和时间, 又可以保持计算结果的准确性, 这对于光子晶体微腔的广泛应用具有非常重要的价值.     

一维掺杂光子晶体缺陷模的共振理论

为了得到一维掺杂光子晶体的共振理论,建立了一维掺杂光子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维掺杂光子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式对缺陷模的频率随入射角、杂质光学厚度以及杂质折射率的变化规律进行了研究,解释了一维掺杂光子晶体缺陷模的变化规律.与特征矩阵法的计算结果相比,其结果完全吻合,从而证明了共振理论的正确性,弥补了一维光子晶体研究中数值计算方法的不足.     

一维掺杂光子晶体缺陷模的共振理论

为了得到一维掺杂光子晶体的共振理论,建立了一维掺杂光子晶体的谐振腔模型,利用谐振腔的共振条件推导出缺陷模频率满足的解析公式,从理论上解释了产生一维掺杂光子晶体缺陷模的物理机理.利用频率的解析公式对缺陷模的频率随入射角、杂质光学厚度以及杂质折射率的变化规律进行了研究,解释了一维掺杂光子晶体缺陷模的变化规律.与特征矩阵法的计算结果相比,其结果完全吻合,从而证明了共振理论的正确性,弥补了一维光子晶体研究中数值计算方法的不足.     

Surface plasmon resonance and field confinement in graphene nanoribbons in a nanocavity

In this work, we demonstrate surface plasmon resonance properties and field confinement under a strong interaction between a waveguide and graphene nanoribbons (GNRs), obtained by coupling with a nanocavity. The optical transmission of a waveguide–cavity–graphene structure is investigated by finite-difference time-domain simulations and coupled-mode theory. The resonant frequency and intensity of the GNR resonant modes can be precisely controlled by tuning the Fermi energy and carrier mobility of the graphene, respectively. Moreover, the refractive index of the cavity core, the susceptibility χ⁽³⁾ and the intensity of incident light have little effect on the GNR resonant modes, but have good tunability to the cavity resonant mode. The cavity length also has good tunability to the resonant mode of cavity. A strong interaction between the GNR resonant modes and the cavity resonant mode appears at a cavity length of L₁ = 350 nm. We also demonstrate the slow-light effect of this waveguide–cavity–graphene structure and an optical bistability effect in the plasmonic cavity mode by changing the intensity of the incident light. This waveguide–cavity–graphene structure can potentially be utilised to enhance optical confinement in graphene nano-integrated circuits for optical processing applications.     

左手介质对谐振腔谐振频率的影响

在谐振腔设计过程中, 谐振腔的品质因数以及谐振频率都是需要考虑的关键因素. 传统的方法是通过减小谐振腔的尺寸或者利用高次模来提高谐振腔的谐振频率, 但是由于两种方法都有其局限性, 导致设计结果并不理想. 通过理论计算与模拟仿真相结合的方法, 对影响谐振腔谐振频率的因素进行分析, 得出了填充介质的材料属性与谐振腔谐振频率的关系. 理论计算显示: 当用“左手介质”作为谐振腔的填充物质时, 可以在不改变谐振腔尺寸的基础上提高谐振频率. 高频结构仿真器(high frequency structure simulator)的仿真数据也证明了以上结果, 从而得出谐振腔的谐振频率可以不受谐振腔尺寸的限制. 相较于传统理论而言, 研究结论有进一步的发展, 为探索和设计新颖的谐振腔提供了理论依据.     

All-optical switch based on photonic crystal microcavity with multi-resonant modes

We present a design of all-optical switches based on one-dimensional photonic crystals (1D PhC) doped with nonlinear optical materials. The 1D PhC switch structure is composed of a PhC cavity sandwiched by two accessional PhC microcavities. The center PhC cavity has two resonant frequencies with nearly the same quality factors (Q), while the accessional PhC cavities have the same resonant frequency, which is equal to one of the resonant frequencies of the center cavity. The two accessional PhC cavities cause reduction of Q value in this resonant frequency and result in different Q values of two modes. We realize all-optical switch effect by selecting pump light wavelength at the low Q mode and probe light wavelength at the other mode. The theoretical simulations by using the finite difference time domain method show that the pump light intensity required to realize optical switch effect in the designed switch is 50 times smaller than that in one-dimensional photonic crystals cavity with only one resonant mode.     

光学微球腔的壳层结构研究

使用时域有限差分法，对带表面壳层的光学微球腔进行模拟计算，分析了微腔内回音壁模式的能量密度分布，总结了壳层厚度对微球腔谐振性能的影响，并由此探讨对微球腔进行调谐和模式控制的方法.采用这种壳层结构，微球腔的谐振性能得到了有效提高（Q值提高了30％以上，模式体积减小了60％），为光学微球腔后续的结构设计和实际应用提供了一个新的优化思路.     

新型无线局域网双频段微带贴片天线设计

 新型无线局域网双频段微带贴片天线采用50 Ω微带线进行馈电,采用在贴片切槽设计方式,实现了微带天线在双频段工作的要求。其中心工作频率分别为2.44 GHz和5.20 GHz,相应的工作带宽分别达到了200 MHz和1.20 GHz。该天线具有小尺寸、结构简单、制作简单,低成本和在各工作频点处具有良好的方向性等优点,而且只需简单修改辐射贴片上的缝隙尺寸参数,就可以实现对天线高频段和低频段的调节。     

磁控管衍射输出结构的π模特性

 磁控管结构以及类磁控管结构（无阴极）是具有衍射输出结构的磁控管最基本的组成单元,分析这两种结构的色散关系是研究具有衍射输出结构的磁控管模式转换和传输特性的基础。在基于场匹配法得到类磁控管结构的色散关系的同时,利用数值计算定量分析了6腔和2腔磁控管结构以及类磁控管结构中的π模谐振点随结构参数的变化关系。分析结果表明：对于磁控管结构,当阴阳极间距一定时,π模谐振波数随谐振腔半径的减小而增大;当谐振腔半径一定时,π模谐振波数随阴阳极间距的增大而增大;对于类磁控管结构,π模谐振波数随谐振腔深度的减小或提取腔半径的减小而增大。     

2D Analysis of multimode photonic crystal resonant cavities with the finite volume time domain method

In this paper an accurate analysis of two-dimensional (2D) Photonic Crystal (PhC) based multimode resonant cavities is carried out. The analysis is performed with a robust and accurate Finite Volume Time Domain (FVTD) technique. The analysis proves the ability of the FVTD method to extract different resonant modes from a multimode PhC resonant cavity with the use of appropriate source profiles. A detailed explanation on how the source is engineered and used to excite different modes is given. Furthermore, parameters such as resonant frequency and quality factor for each resonant mode are accurately calculated.     

基于模式转换及双峰谐振效应的薄包层镀膜长周期光纤光栅特性研究

基于耦合模理论,首先研究了镀膜长周期光纤光栅(LPFG)高阶包层模的模式转换,划分了高阶包层模的非模式转换区及模式转换区。分析了高阶包层模有效折射率随薄膜厚度增加的响应特性,包层模谐振波长在模式转换区的偏移量要大于非模式转换区。在此基础上,研究了不同包层半径下高阶包层模谐振波长随光栅周期的变化情况,结果表明,相同包层半径下模式转换区内双峰间距的偏移量大于非模式转换区;无论在模式转换区还是非模式转换区,包层半径的减小将增加双峰间距的偏移量。最后分析了不同包层半径下的高阶包层模双峰透射谱在模式转换区及非模式转换区内的折射率响应,进而提出了薄包层镀膜LPFG的优化设计方案,当选定敏感膜层厚度及折射率处于镀膜LPFG的模式转换区内,光栅周期靠近相位匹配转折点时,将得到灵敏度高于传统LPFG双峰传感器的镀膜LPFG折射率型双峰传感器;而减小包层半径,将进一步提高传感器的分辨本领。     

相位修正的耦合模理论用于计算光纤Bragg光栅法布里-珀罗腔透射谱

基于光纤Bragg光栅(FBG)反射复振幅相移对FBG法布里-珀罗腔透射谱的影响,分析了传统耦合模理论计算均匀FBG反射复振幅相移产生误差的原因.引入折射率分布初始相位参数描述FBG折射率分布纵向的微小偏移,用真实的反透射系数代替简明形式的反透射系数,对传统耦合模理论进行了修正,增加了与折射率分布初始相位参数有关而与波长无关的相位因子.在此基础上进一步对计算非均匀FBG的传输矩阵法的相位进行了修正.修正后的快速计算结果用于FBG法布里-珀罗腔透射谱的计算,可反映折射率分布初始相位参数对透射峰波长位置的影响,与Rouard 算法及实验值均有较好的一致性. 关键词： 光纤Bragg 光栅 法布里-珀罗腔 耦合模理论     

孔缝对金属腔体强电磁脉冲耦合特性影响研究

核电磁脉冲和高功率微波等强电磁脉冲易造成电子设备功能失效甚至损毁,在实际工程实施中用金属腔体对电子设备进行屏蔽是常用的强电磁脉冲抑制手段。基于电磁仿真计算,对含矩形孔缝金属腔体的强电磁脉冲耦合特性进行了系统研究,阐述了孔缝宽长比、腔体尺寸等因素对多种不同类型强电磁脉冲（核电磁脉冲、宽带高功率微波、窄带高功率微波）作用下腔体内耦合场的影响;并以此为基础,重点分析了强电磁脉冲与含孔缝金属腔体之间的作用机制。研究结果表明:不同类型强电磁脉冲耦合信号差异明显,金属腔体对强电磁脉冲的响应是腔体谐振模式、孔缝谐振频率与强电磁脉冲共同作用的结果;当腔体谐振模式、孔缝谐振频率在强电磁脉冲的带内时,腔体内部的耦合场会出现增强效应;特别地,腔体与孔缝间的相互作用还可造成腔体与缝隙的谐振频率发生偏移。因此,在为电子设备设计金属屏蔽外壳时,应基于不同强电磁脉冲的频带范围,对腔体与孔缝的尺寸进行综合设计,抑制腔体、孔缝谐振及谐振频率偏移,提升其强电磁脉冲防护性能。     

回旋速调管调制腔模拟分析

 多腔回旋速调管中的调制腔采用内外腔同轴结构，对回旋电子注角向群聚起着关键作用。用场匹配理论及HFSS软件对调制腔冷腔特性进行了研究，对多种输入结构、耦合缝尺寸和方位、腔体长度、半径进行了模拟。分析表明，耦合狭缝中心线与输入波导轴线成45°，耦合缝长度达到0.72时，内外腔储能比值达到41.65；耦合缝尺寸对腔体Q值影响较大，但并非呈简单线性关系，并且Q值对缝长的变化比缝宽的变化要敏感得多；而狭缝尺寸变化对谐振频率的影响不大；计算了内外腔储能，得到了模式转换效率高、内外腔储能比高、性能优良的调制腔。     

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。     

X波段脉冲电子顺磁共振谱仪的矩形腔与微型平面腔的设计

为了满足脉冲式电子顺磁共振谱仪的需要,设计并制作了连续波谐振腔和脉冲谐振腔. 连续波谐振腔采用矩形谐振腔的设计,而脉冲谐振腔采用了微型平面腔的设计. 在设计阶段,使用Ansoft-HFSS三维电磁仿真软件对2种谐振腔进行模拟计算. 微型平面腔的加工采用了微纳加工技术. 制作完成的谐振腔的参数指标由网络分析仪测定. 实验测得2种谐振腔的参数指标符合理论模拟值,并满足脉冲式电子顺磁共振谱仪的要求.     

带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理

结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理,在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅,并利用其高效的承载机制,提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构.在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态,通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射,并在缺陷腔中加入吸收介质,使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡,从而在反射谱中得到缺陷峰;调整光子晶体参数,使缺陷峰的半高全宽得到优化,提高其品质因数(Q值);在此基础上,根据Goos-H?nchen相位移与谐振波长的关系,建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型,并分析其折射率传感特性.结果表明,此生物传感结构Q值为1429,灵敏度为546.67 nm/RIU,证明了该传感结构的有效性,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.     

超高精细度微光学腔共振频率及有效腔长的精密测量

超高精细度微共振器是实现原子或者其他偶极子与腔强耦合作用的基本部分, 在腔量子电动力学(QED)、弱光非线性效应及微光学器件研究中扮演着重要的角色. 微腔基本参数的精密测量最终可以确定腔与原子的耦合系数、腔场衰减率, 对决定系统的动力学特性具有重要的意义. 但是由于超高精细度光学微腔本身的构造和多层镀膜的特点, 高精度地确定其共振频率及有效腔长存在一定困难. 本文结合修正的多层介质膜模型, 实验上完成了膜层为37层的超高精细度光学微腔在不同共振频率下有效腔长的精密测量, 获得了超高精细度光学微腔的共振频率及波长; 理论计算分析与实验测量结果相符, 对纵模间隔的测量精度误差低于0.004 nm, 较为修正前提高了约两个量级. 同时给出了对应不同模式数下, 光波渗入到介质中的深度. 该方法可望应用到其他微共振器的精密测量中. 关键词： 光学微腔 高精细度 共振频率     

Influence of a single quantum dot state on the characteristics of a microdisk laser

We report a quantum dot microcavity laser with a cw sub-microW lasing threshold, where a significant reduction of the lasing threshold is observed when a single quantum dot (QD) state is aligned with a cavity mode. The quality factor exceeds 15,000 before the system lases. When no QD states are resonant, below threshold the cavity mode initially degrades with increasing pump power, after which saturation occurs and then the cavity mode recovers. We associate the initial cavity mode spoiling with QD state broadening that occurs with increasing pump power.     

填充率渐变型波状结构二维光子晶体

填充率渐变引起的能带结构和等频面结构的变化是填充率渐变型波状结构二维(2D)光子晶体(PC)产生光路转弯现象的根本原因,由于TM模和TE模在能带结构上存在差异,光路转弯现象就具有明显的偏振选择特性,能够实现归一化频率a/λ为0.29~0.33的偏振分束。利用时域有限差分(FDTD)法模拟了TM模的U型转弯波导,发现出射光位置对入射波长和入射角的变化很敏感,位移变化量分别达到0.38μm/10 nm和0.29μm/(°)。利用TM模的U型转弯波导构建了新型的平行平面谐振腔,并指出由填充率渐变型波状结构二维光子晶体和一维多层薄膜构成的混合结构在光分束和抑制光束发散方面的作用及其在平行平面谐振腔中的潜在应用。