用于加速度计的硅基拉链光子晶体腔光机系统

基于光子晶体微腔的腔光机加速度计将机械谐振子及高品质因数光子晶体腔相结合，其中的机械振子在机械震荡模式下对微弱力/位移敏感的特性，可以实现极低的噪声水平，理论上能够达到标准量子噪声极限，是高精度加速度计的重要发展方向。对拉链式光子晶体腔光机加速度计的原理和结构特点进行分析，设计了一种应用于加速度计的硅基拉链式光子晶体腔和机械振子结构。分析了拉链腔的结构参数对光学Q值的影响，通过调节结构参数将光腔的谐振频率控制在195 THz附近，并分析了机械振子和光腔的机械谐振特性，光腔的有效质量为30 pg，加上机械振子后有效质量为3.1 ng，光机耦合率达到GHz/nm量级，为基于硅基拉链腔加速度计的制造和表征提供了指导。     

高精度量子点荧光成像定位技术

自组装半导体量子点是目前研究的类原子系统中最有可能实现理想量子光源的物理系统.由于量子点位于高折射率材料中,只有约2%的单光子能从上半空间射出,严重制约了量子点光量子技术的发展.通过设计微纳结构可以控制光子流的出射方向,提高收集效率.但是在没有预先定制图案的片子上生长的量子点,其位置和光谱都存在一定随机性.为了最大效率利用腔的作用,需要将量子点置于腔模场强最大处,并让量子点发光光谱与腔谐振峰重合.本文设计了高精度量子点荧光成像定位系统,可实现10nm的定位精度,极大地提高了单光子的提取效率.     

非线性光子晶体中原子辐射光场的非经典性质

讨论了非线性光子晶体微腔中二能级原子在相干场驱动下腔场的频谱特性及光子的统计性质.研究结果表明,当光子晶体的态密度很大时,如果腔场模与原子共振荧光Mollow峰的中心峰共振,则腔场的涨落压缩到量子散弹噪声之下,且与线性光子晶体微腔的情况相比其谱线峰值变大.当驱动场频率较大时光子服从亚Poisson分布,且非常接近Poisson分布.     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

非线性光子晶体中原子辐射光场的非经典性质

讨论了非线性光子晶体微腔中二能级原子在相干场驱动下腔场的频谱特性及光子的统计性质.研究结果表明,当光子晶体的态密度很大时,如果腔场模与原子共振荧光Mollow峰的中心峰共振,则腔场的涨落压缩到量子散弹噪声之下,且与线性光子晶体微腔的情况相比其谱线峰值变大.当驱动场频率较大时光子服从亚Poisson分布,且非常接近Poisson分布. 关键词： 光子晶体 参量振荡 非弹性谱 二阶相关函数     

光子晶体微腔温度响应特性研究

利用平面波展开法对由硅(Si)介质柱构成的二维正方晶格光子晶体在TM模式下的能带进行计算。构造了光子晶体微腔,利用时域有限差分法对该光子晶体微腔的谐振特性进行了数值模拟,得到了缺陷态模场分布。考虑硅的热膨胀效应和热光效应对硅性质的影响,引入到光子晶体微腔谐振模式的计算中,模拟计算了微腔谐振波长随温度的变化关系。结果表明,随着温度的升高光子晶体微腔的谐振波长增大,温度每升高1℃,波长向长波漂移6.7pm,而且具有良好的线性。光子晶体微腔的这种特性可以用于温度传感,具有一定的实用意义。     

光子晶体对nc-Ge/Si岛发光增强的模拟

在Si基集成光电子学的发展中,高效的Si基光源是人们不懈追求的目标。但是Si材料的间接带隙特性导致其发光效率低,更谈不上受激发射。于是人们探索了多种Si基材料体系来提高Si材料的发光效率,并在不同程度上取得了重要的进展。在众多的Si基发光材料体系中,Ge/Si量子点材料,不仅生长工艺与标准的CMOS工艺有很好的兼容性,而且发光波长能够覆盖重要的光通信波段即1.3~1.55μm,因此成为实现Si基发光器件的重要途径之一。但是目前这种材料的发光效率仍很低,所以提高其发光效率自然成为人们关注的焦点。如果将光子晶体引入到nc-Ge/Si材料中,它不仅可以改变材料本身的自发发射特性,而且可以改变发射的光子的提取效率,从而使材料的发光效率得到增强。提出了在Ge/Si量子点材料中引入光子晶体结构来提高其发光效率,包括光子晶体点缺陷腔结构和带边模式工作的完整光子晶体结构,并从理论上分析了发光效率提高的原理。针对发光波长在1.5μm附近的材料结构,模拟出了相应的光子晶体的结构参数。从模拟结果可以看出,对于缺陷腔的光子晶体结构,采用单点缺陷微腔很好地实现了单模运作,但是微腔内有源材料的体积很小,因此得到的发光效率很低。而采用耦合缺陷腔的结构和H₂腔都增加了腔内有源区的体积。但是耦合腔与H₂腔相比,谐振腔模减少,主谐振模式的峰值强度增加,更容易实现单模发光。因而更适用于提高nc-Ge/Si的发光效率。而带边模式工作的光子晶体结构,尺寸较大,不需引入缺陷,工艺上更容易实现。     

光控液晶光子晶体微腔全光开关

设计了一种缺陷模迁移光子晶体微腔全光开关. 两条二维三角晶格空气孔光子晶体波导由一个光子晶体微腔连接, 在微腔的点缺陷中填充掺有少量偶氮聚合物的苯乙炔类液晶. 通过调节控制光的偏振态, 使偶氮聚合物发生顺-反异构化反应, 带动液晶分子重新取向, 从而改变光子晶体微腔的谐振波长, 进而实现光的通过与截止. 运用时域有限差分法和平面波展开法分析 了二维光控液晶光子晶体微腔全光开关的光学特性. 数值计算结果表明: 对于1.55 μ通信波段通过外界偏振光控制所填充的向列相液晶 的折射率可以实现对光波的导通与截止. 分析结果显示, 此开关具有阈值低, 消光比较大, 体积小等优点. 关键词： 二维光子晶体微腔 波导 时域有限差分(FDTD) 液晶     

电抽运有机准晶光子晶体激光器及其特性研究

利用有机共轭聚合物MEH-PPV优良的发光特性和光子晶体对光的调制特性,设计制备了有机半导体二维平板的准晶光子晶体激光器。该激光器是以MEH-PPV为增益介质,利用二维平板准晶光子晶体点缺陷和上下电极表面作为反射膜共同构建激光器的微腔,获得了具有激射效应的电抽运8重准晶垂直腔面发射激光器。该激光器的阈值电流为8 m A,激射波长为606 nm,谱线半峰全宽为0.5 nm,接近光纤光谱仪的分辨率极限。     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的,腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达106,模体积仅为0.02(λ/n)3.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

Polarization properties of dipolelike defect modes in photonic crystal nanocavities

Far-field measurements of the in-plane polarization properties of spontaneous emission from optical nanocavities formed in two-dimensional photonic crystal slab waveguides are presented. A strong polarization signature, even subthreshold, is found for a pair of highly localized dipolelike resonant modes. This polarization signature is used to study the effects of symmetry lowering within the cavity.     

Fast bistable all-optical switch and memory on a silicon photonic crystal on-chip

We demonstrate extremely low-power all-optical bistability by utilizing silicon photonic crystal nanocavities, based on the plasma effect of carriers generated by two-photon absorption. Owing to the high quality factor and the small volume of the nanocavities, the photon density inside the cavity becomes extremely high, which leads to a large reduction in operation power. Optical bistable operation in a single nanocavity permits optical read-write memory operation, which opens the possibility of an integrated optical logic circuit on a single chip, based on photonic crystals. The demonstrated bistable threshold power is 0.4 mW with a set pulse energy of 74 fJ, at a switching speed of <100 ps.     

Positioning photonic crystal cavities to single InAs quantum dots

We have investigated the optical properties of planar photonic crystal cavities formed by removing a single hole from a two-dimensional square lattice of air holes etched through a thin GaAs slab. We have demonstrated cavity resonances with quality factors (Q’s) as high as 8500, using an internal light source provided by an ensemble of InAs quantum dots (QDs) grown by molecular beam epitaxy (MBE). The high-Q modes are confined to a very small mode volume, V = 0.7(λ/n)³, making them attractive to study in the context of cavity quantum electrodynamics with single QDs, where a high is needed to observe the strong coupling between an electronic state of the dot and the optical cavity mode. To this end, we have developed an accurate and robust alignment technique that positions a photonic crystal cavity to a single QD with 25 nm resolution. We present the details of this new technology and demonstrate its effectiveness by strategically positioning a number of QDs within photonic crystal cavities at points where the electric field intensity is high.     

Random lasing in an organic light‐emitting crystal and its interplay with vertical cavity feedback

The simultaneous vertical‐cavity and random lasing emission properties of a blue‐emitting molecular crystal are investigated. The 1,1,4,4‐tetraphenyl‐1,3‐butadiene samples, grown by physical vapour transport, feature room‐temperature stimulated emission peaked at about 430 nm. Fabry‐Pérot and random resonances are primed by the interfaces of the crystal with external media and by defect scatterers, respectively. The analysis of the resulting lasing spectra evidences the existence of narrow peaks due to both the built‐in vertical Fabry‐Pérot cavity and random lasing in a novel, surface‐emitting configuration and threshold around 500 μJ cm⁻². The anti‐correlation between different modes is also highlighted, due to competition for gain. Molecular crystals with optical gain candidate as promising photonic media inherently supporting multiple lasing mechanisms.     

Laser nanosources based on planar photonic crystals as new platforms for nanophotonic devices

Two-dimensional photonic crystal lasers have been fabricated on III–V semiconductor slabs. Tuning of the spontaneous emission in micro and nanocavities has been achieved by accurate control of the slab thickness. Different structures, some of them of new application to photonic crystal lasers, have been fabricated like the Suzuki-phase or the coupled-cavity ring-like resonators. Laser emission has been obtained by pulsed optical pumping. Optical characterization of the lasing modes have been performed showing one or more laser peaks centred around 1.55 μm. Far field characterization of the emission pattern has been realized showing different patterns depending on the geometrical shape of the structures. These kinds of devices may be used as efficient nanolaser sources for optical communications or optical sensors.     

二维八重准晶有机光子晶体平板的光学传播特性

采用时域有限差分法研究了二维八重准晶有机光子晶体的光传输特性,重点分析了光束在聚苯乙烯空气柱平板结构和聚苯乙烯介质柱结构中的透射特性与光局域特性。研究结果表明,即使在低折射率对比度的情况下,两种完整八重准晶平板结构中均出现了可见光波段的光子带隙和本征模,且光子带隙中心位置随着平板厚度的增大而红移。当在两种准晶结构中引入缺陷微腔时,带隙内的缺陷模产生位置和波长红移特性随着微腔结构的变化规律明显不同,这种差异性是由两种物理机制(即光子晶体缺陷能级变化与微腔所支持的驻波条件)共同作用的结果。这一研究结果将为实验制备有机准晶发光器件提供一定的理论基础。     

二维光子晶体耦合腔阵列的慢波效应研究

设计了一种六角晶格二维光子晶体耦合腔阵列,平面波展开法计算能带表明,处于禁带中的耦合缺陷腔模的色散曲线在光子晶体平面内所有k矢量方向更加平坦.模拟了横电波沿ΓK方向的透射谱.与光子晶体单缺陷腔相比,耦合腔阵列结构的缺陷腔模透射率提高三个量级以上,而群速度降低一个量级,得到0.007c的结果.该慢波效应在构造微型可调谐光延迟器和低阈值光子晶体激光器等方面具有潜在的应用前景. 关键词： 光子晶体 耦合腔阵列 慢波 透射率     

立体耦合光子晶体薄板微腔的高Q值特性研究

利用微腔之间的立体耦合,提出了基于无源材料硅的双层光子晶体薄板H1(DLPCS-H1)腔,薄板之间为空气层.使用三维时域有限差分方法和Padé近似方法分析了DLPCS-H1腔的偶极模的场分布和品质因子.通过对中间空气层高度的优化使DLPCS-H1腔的偶极模的品质因子得到了显著的提高,大约为单层光子晶体薄板H1腔的偶极模的品质因子的4倍.此外,还研究了三层光子晶体薄板H1腔,它的偶极模的品质因子约为单层光子晶体薄板H1腔的偶极模的品质因子的7倍.     

Ideal homoatomic and heteroatomic photonic crystal molecules

A local tuning of the modes of photonic crystal systems both to blue and to red sides of the resonance is implemented by nano-infiltration/evaporation of water and laser micro-oxidation. This technology is used to completely control coupled photonic nanocavities (photonic crystal molecules). Beside the standard condition of zero detuning between identical modes of the two cavities (homoatomic molecule), we are also able to produce coupling between two modes of different polarization and spatial distribution (heteroatomic molecule).     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的.腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达10⁶,模体积仅为0.02(λ/n)³.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.