光子晶体表面光波导的特性研究

采用平面波展开法和时域有限差分法,研究了光子晶体表面光波导的色散及光传输特性。研究结果表明,表面模的出现及其色散特性与表面介质柱的半径相关,色散曲线的斜率保持单调变化,并在最低或最高频率附近展现低群速度频率区。由于光子带隙和全内反射的共同影响,光场将沿晶体表面高效率地传输。研究结果为探索在光子晶体外部控制光传输具有重要的理论意义。     

光子晶体光纤带隙及模场的一种综合模拟分析方法

提出直接由MATLAB读入光纤端面图实现复杂结构光子晶体光纤(PCF)模型的快速建立,并综合平面波法(PWM)和频域有限差分(FDFD)法,模拟分析带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)的带隙和模场分布.利用PWM计算得到了在PBG-PCF中传输的光波频率及模式有效折射率范围;基于FDFD法在给定波长及模式有效折射率范围情况下,模拟得到了PBG-PCF中可能存在的模场分布及其他特性.以市售的PBG-PCF为例,验证了数值模拟的正确性,随后系统地分析了结构参数(晶格结构、"原子"占有率、背景材料折射率及"原子 关键词： 光子晶体光纤(PCF) 光子带隙(PBG) 平面波法(PWM) 频域有限差分法(FDFD)     

光子带隙光纤的可调谐泄漏损耗特性的研究

通过向折射率引导型光子晶体光纤的空气孔中填充可调的高折射率的材料可以获得带隙可调的光子带隙光纤.本文采用矢量平面波展开法与矢量有限元法对可调光子带隙光纤的泄漏损耗特性进行了理论研究.研究表明，这种可调光子带隙光纤的光子带隙效应使其泄漏损耗与填充材料的折射率有很强的依赖关系，同时给出了光子带隙光纤的泄漏损耗和群速度色散与归一化波长的关系.     

光子晶体光纤色散补偿特性的数值研究

利用矢量有效折射率方法对光子晶体光纤（PCF）的色散补偿特性进行了数值模拟，研究发现通过调节光子晶体光纤包层的空气穴节距或空气穴大小可以灵活地设计光子晶体光纤的色散系数D、色散斜率Dslope以及κ值，可以设计在波长1.55μm附近具有较大绝对值的正常色散和负色散斜率的色散补偿光子晶体光纤，使光通信中的普通单模光纤（G.652）或非零色散位移光纤(G.655)在1.55μm低损耗窗口得到较好的色散补偿.数值模拟和分析表明色散补偿光子晶体光纤的研制具有很大的发展潜力. 关键词： 光子晶体光纤 色散 色散斜率 色散补偿     

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.     

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.通过对色散关系表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带隙外的频率范围内,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.     

一维光子晶体斜入射波包的带隙结构

对波包的任意傅里叶分量进行坐标变换后,利用转移矩阵法推导出波包斜入射情形下一维光子晶体的色散关系表达式,利用色散关系曲线分析得出波包斜入射的第一带隙结构,与以往平面波的第一带隙结构不同,波包的带隙宽度小于平面波的带隙宽度,并且在位置上前者带隙包含在后者内部.比较了一维光子晶体分别在波包入射与平面波入射情形下带隙位置和宽度,分析了波包中心入射角的变化以及波包的角分布范围的变化对带隙结构的影响,得到了一维光子晶体对波包斜入射的带隙结构的基本特征,确定了计算波包带隙能够近似当作平面波处理的条件.研究表明,波包的带隙结构受入射角大小和波包角分布范围的影响.入射角越小,波包入射的带隙结构越接近平面波;波包的角分布范围越小,光子晶体对波包的带隙宽度和位置越接近平面波.     

色散补偿光子晶体光纤结构参数对其色散的影响

光子晶体光纤由于其灵活可调的色散特性用作色散补偿具有极大的应用潜力. 设计了一种色散补偿光子晶体光纤, 并运用频域有限差分法模拟了其色散特性,从理论上分析了其结构参数孔间距Λ和空气占空比d/Λ对该光子晶体光纤的色散系数的影响, 并且实际制备出了3种不同结构参数的光子晶体光纤. 通过对其色散曲线对比分析表明: 当光子晶体光纤孔间距在1 μm附近时, 其色散系数随着孔间距Λ和占空比d/Λ的增大而增加, 但对于孔间距Λ的变化比占空比d/Λ更为敏感, 并且随着孔间距Λ的增加,其对色散系数的影响能力逐渐减小. 设计并制备的光子晶体光纤在1550 nm处的色散系数为-241.5 ps·nm^-1·km^-1, 相对色散斜率为0.0018, 具有较好的色散补偿能力. 关键词： 色散 色散补偿 光子晶体光纤 结构参数     

金刚石结构三维光子晶体带隙特性的研究

应用平面波展开法研究了三维光子晶体的带隙特性,得到了随着填充率及材料的变化带隙的变化规律,结果为三维光子晶体器件的开发提供了理论依据。     

各向异性金刚石结构的光子晶体

基于平面波展开法,理论分析了填充率、介质各向异性的程度对单轴金刚石结构三维光子晶体禁带的影响.结果表明,当填充率和介质各向异性取合适的值,单轴各向异性金刚石结构光子晶体存在着完全带隙.介质各向异性的引入使该晶体的带隙变窄甚至完全关闭.在各个布里渊区域里,带隙率和带隙宽度随介质各向异性程度的变化而变化.各向异性的引入为调整光子禁带提供了一种方法.     

光子晶体光纤的纤芯等效半径分析

应用有限差分光束传播法和平面波展开法分别计算得到光子晶体光纤的基模有效折射率和包层有效折射率，结合阶跃折射率光纤的模色散方程解出该结构的等效芯半径. 通过对不同结构下光子晶体光纤的研究，找到其等效芯半径随结构参数的变化规律，并根据计算结果将此规律以近似公式的形式给出. 该分析和结果可为利用有效折射率法分析光子晶体光纤时等效芯半径的选取提供一定的理论依据.     

Dispersion characteristics of two-dimensional unmagnetized dielectric plasma photonic crystal

This paper studies dispersion characteristics of the transverse magnetic (TM) mode for two-dimensional unmagnetized dielectric plasma photonic crystal by a modified plane wave method. First, the cutoff behaviour is made clear by using the Maxwell--Garnett effective medium theory, and the influences of dielectric filling factor and dielectric constant on effective plasma frequency are analysed. Moreover, the occurence of large gaps in dielectric plasma photonic crystal is demonstrated by comparing the skin depth with the lattice constant, and the influence of plasma frequency on the first three gaps is also studied. Finally, by using the particle-in-cell simulation method, a transmission curve in the \Gamma -X direction is obtained in dielectric plasma photonic crystal, which is in accordance with the dispersion curves calculated by the modified plane wave method, and the large gap between the transmission points of 27~GHz and 47~GHz is explained by comparing the electric field patterns in particle-in-cell simulation.     

Position calculation of the frequency band gap in the finite photonic crystal with multiple alternations using boundary element method

In this paper, the wave transmission from finite photonic crystals with multiple alternations is investigated using boundary element method (BEM). Since that, in these structures the alternation is not in all directions of space; the investigations of the frequency band gap with desired accuracy are not practical by analytical methods. Also, the frequency dispersion of dielectric rods is an effective parameter in photonic crystals, which this effect in our calculations has been considered. Due to the high capabilities of the BEM, the transmitted wave spectrum in the photonic crystal is calculated by changing the geometrical and optical parameters of the photonic crystal and applying more alternation in its structure and the position and width of the frequency band gap is investigated. Then, it is assumed that the photonic crystal with an arbitrary angle is rotated around the axis which is perpendicular on the crystal cross section and then, it is irradiated with a plan wave. The band gap of the photonic crystals with the desired structure, desired rotation angle and multiple alternations have been solved. Very low information volume, high speed and accuracy during the calculation and useable for any desired structures are the characteristics of this method.     

一种新型高非线性色散平坦光子晶体光纤结构

提出了一种新的高非线性色散平坦光子晶体光纤结构,引入了一个衡量非线性和色散平坦的品质因子δ。采用平面波展开法,研究了气孔尺寸对光子晶体光纤色散特性和非线性的影响。新结构在第一圈空气孔的中间插入六个附加小孔,使得光子晶体光纤有更小的有效模场面积,提高了光纤的非线性。通过控制第一圈和第三圈空气孔以及附加小孔的直径,使得该光子晶体光纤在大约330 nm的波长范围内,光纤的色散系数介于±0.5 ps/(km.nm)之间,在大约230nm的波长范围内,光纤的色散系数介于±0.1 ps/(km.nm)之间,在大约200 nm的波长范围内,光纤的色散系数D的值介于±0.05 ps/(km.nm)之间。光纤的有效模场面积为2.26μm2。衡量非线性和色散平坦的品质因子δ=11.8 ps.W/μm2。     

Research of band gap properties based on two-dimensional photonic crystal with mixed shapes of rods

Two new structures of photonic crystals were designed. The band gap properties of photonic crystals with square and circular dielectric rods mixed arrangement are researched. The band gap properties of mixed shapes rods photonic crystal are calculated and compared with the crystals with square rods or round rods by using plane wave expansion method. Simulation results show that for the square lattice, mixed shapes of rods make the higher-order bands of TM modes moving toward the low frequency range. The gap bands’ widths and locations are between the parameters of square and round rods photonic crystal. In triangle lattice, a significant band gap is presented in photonic crystal with mixed shapes of rods in TE mode, while it is almost not presented in square and round rods crystals. The phenomenon of bands moving toward the low frequency range is also found in the triangle lattice mixed shapes rods photonic crystal. The reasons of the results in the vision were analyzed.     

基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究

采用平面波展开法研究了四种二维光子晶体结构(圆柱介质柱四方晶格、圆柱介质柱三角晶格、正方介质柱四方晶格、正方介质柱三角晶格)的带隙宽度随介质柱尺寸变化的关系.使用平面波展开法计算常规晶格和表面缺陷晶格的模式并进行结果叠加,研究了各结构的二维光子晶体在带隙宽度最大时的表面模式.结果表明,同种晶格的光子晶体带隙宽度随着介质柱的尺寸增大呈先增后减趋势,存在最大值.随着表面介质柱尺寸的增加,四种晶格表面模式曲线均呈下降趋势.四方晶格光子晶体与三角晶格相比,表面介质柱尺寸的变化范围更大,但能获取表面模式频率范围较小.     

基于平面波展开法的二维光子晶体表面模式研究

采用平面波展开法研究了四种二维光子晶体结构(圆柱介质柱四方晶格、圆柱介质柱三角晶格、正方介质柱四方晶格、正方介质柱三角晶格)的带隙宽度随介质柱尺寸变化的关系.使用平面波展开法计算常规晶格和表面缺陷晶格的模式并进行结果叠加,研究了各结构的二维光子晶体在带隙宽度最大时的表面模式.结果表明,同种晶格的光子晶体带隙宽度随着介质柱的尺寸增大呈先增后减趋势,存在最大值.随着表面介质柱尺寸的增加,四种晶格表面模式曲线均呈下降趋势.四方晶格光子晶体与三角晶格相比,表面介质柱尺寸的变化范围更大,但能获取表面模式频率范围较小.     

光子晶体理论应用于光纤布拉格光栅的研究

将光纤布拉格光栅近似为一维光子晶体，研究光栅的能带结构和光学传输特性。利用平面波展开法对光子晶体进行理论研究，将研究方法移植到光纤布拉格光栅上，并对其进行数值分析，得到光栅的传输特性。研究表明，光栅反射谱有多个反射峰，峰值中心频率是基频的整数倍，而且峰值处存在光子带隙，反射峰带宽对应光子带隙宽度，中心频率和带宽随光栅长度、高介电常量材料占空比、调制深度而变化。结果与传统的耦合模理论一致。     

Numerical Study on Bragg Fibers for Infrared Applications

The photonic band structure, waveguiding mechanism, mode field distribution, leakage loss, and material loss of Bragg fiber are studied by the full vectorial plane wave expansion method and the transfer matrix method. Systematical study has shown the distinctive properties of Bragg fiber and the similarity between Bragg fiber and hollow metallic waveguide, demonstrating the feasibility of Bragg fiber to work in a low loss, single mode manner. Furthermore, a comparison between the band structures calculated by plane wave expansion method and by transfer matrix method is conducted to show the practicability to treat Bragg fibers electromagnetic behavior in a Bloch theorem approach, verifying the photonic bandgap concept for the analysis of Bragg fiber.     

单光子晶体界面介质波导中的慢光效应

研究了单光子晶体界面介质波导中的慢光效应.芯层-空气层界面的全内反射效应以及光子晶体基底的禁带效应共同形成了对光场能量的横向约束.用基于超元胞的平面波展开法计算得到了导模色散曲线,并据此对其色散、群速以及群速色散性质做了详尽分析.由于利用了色散曲线慢光区域内拐点附近低群速色散的部分,该单光子晶体界面介质波导具有良好的慢光特性.对两个不同导模计算得到的平均群速分别为c/98和c/376,可用相对频带宽度分别达到2.1×10-3和4.1×10-4.另外,该慢光结构可以侧向耦合的方式克服光子晶体慢光波导耦合困难的缺点.