光子准晶微腔型传感器特性的研究

采用时域有限差分法,研究了八重光子准晶微腔型光学传感器的物理特性。研究结果表明,光子准晶微腔具有高品质的共振模,其场被高度局域在腔中心,并向周边对称性扩展,呈现出高度的八重旋转对称性。由于缺陷模场扩展到微腔的周边环境中,使得模场能与外部环境产生强烈的相互作用,因此实现了高灵敏度的光学传感。在光通信波段长1 550nm时,折射率灵敏度达到了700nm/RIU。研究结果为实现一类新型光子准晶型高灵敏度生物传感器提供了重要的依据。     

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。     

十二重准晶中的方向缺陷

采用多重散射的方法研究了十二重准晶中的缺陷模,发现在十二重准晶中存在方向缺陷,且当缺陷组合围绕对称中心旋转时,在保持原有缺陷模的基础上,出现了新的缺陷模. 关键词： 准晶 缺陷 带隙     

等效零折射率材料微腔中均匀化腔场作用下的简正模劈裂现象

研究了零折射率材料微腔中人造原子与腔模的相干耦合现象.首先通过数值模拟的方法研究了在二维光子晶体微腔中填充阻抗匹配的零折射率材料后腔模的场分布.结果表明零折射率材料的引入使得原本以驻波场形式存在的腔模分布在整个微腔中变得近似均匀且值最大.其次,将人造原子放入腔中的不同位置并与腔模耦合,结果从频谱上观察到腔模的劈裂与人造原子在腔中的位置无关.最后,利用微波实验,通过开口谐振环等效的人造原子与一维复合左右手传输线等效的零折射率材料微腔之间的耦合验证了仿真结果的准确性.该结果为腔量子电动力学中量子点对位难的问题提供了新的方案,同时零折射率材料微腔也为今后研究原子与光子之间的相互作用提供了一个新的平台.     

寻找囚禁在光腔中的玻色-爱因斯坦凝聚体的八重准晶

准晶是一种拥有长程序但不具有周期性结构的一种物质.实验上通过将玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)放置在一个由四个光学腔组成的系统中,通过四个腔中激光照射在凝聚体上从而得到具有八重旋转对称性的准晶.本文结合虚时演化方法和分步傅里叶法从理论上得到了八重准晶体.我们通过这种方法可以实现更为复杂的晶体结构,从而为将来探索新物质提供了可能.     

时间反演对称性破缺系统中的拓扑零能模

Su-Schreiffer-Heeger模型预测了在一维周期晶格的边缘处可能出现零维的拓扑零能模,其能量本征值总是出现在能隙的正中间.本文以半导体微腔阵列中光子和激子在强耦合情况下形成的准粒子为例,通过准粒子的自旋轨道耦合与Zeeman效应,研究了时间反演对称性破缺对拓扑零能模的影响.发现拓扑零能模的能量本征值可以随着自旋轨道耦合强度的变化在整个带隙内移动,自旋相反的模式移动方向相反;在二维微腔阵列中发现了沿着晶格边缘移动的拓扑零能模,提出了一维零能模的概念.由于时间反演对称性的破缺,这种一维拓扑零能模解除了在相反传输方向上的能级的简并,从而在传输过程中出现极强的绕过障碍物的能力.     

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。     

圆柱形Bragg微腔的共振模特性

利用圆柱形介质设计了一个Bragg微腔结构,含有圆柱形和环形两个微腔.基于传输矩阵理论,通过研究会聚柱面波的反射相移,根据反射相移在Bragg禁带中的尖锐突变来确定微腔结构的共振模.较之其他计算方法,相移方法操作简单,图像直观,且行之有效.研究表明,随着中心圆柱形微腔的半径增大,方位指数相同的两微腔共振模之间会发生相互作用,在腔模光子能量相近时耦合效应最强,导致双微腔的耦合共振模曲线出现反交叉现象.最后给出了耦合共振模的空间电磁场分布.     

基于飞秒激光直写的单向单模耦合微腔

对具有高Q值的回音壁模式微腔进行调制来获得单向单模输出,对研究腔光力学和开发高质量的微激光具有重要意义.本文对利用飞秒激光直写加工的耦合回音壁模式微腔的研究进行了简要回顾,具体介绍了微腔结构设计、加工过程、激射和耦合机制研究等.利用飞秒激光直写加工的强大三维图案化能力,灵活地设计实现了具有集成功能的单个微腔和具有不同空间组合位置的多个耦合微腔.基于耦合微腔的微激光具有低阂值,同时显示出良好的单模特性和单向性.结合理论模拟可以证实,微腔与微腔/光栅之间的耦合,一方面支持游标效应和集成滤波两种选模方式,另一方面能够破坏微腔的旋转对称性从而获得单向输出,从而实现了对微腔输出的有效调控.     

光学微球腔谐振模式研究

使用时域有限差分法对近场耦合状态下的光学微腔进行了计算。系统地研究了微腔中不同阶径向模式的各方面性能的差异。并在此基础上讨论了通过改变耦合参数，选择性增强特定模式的途径。研究了数种非均匀介质微腔的性能改变，指出选择性增强特定模式，可以通过以下两类方法：一是对于均匀介质分布的微腔，通过改变耦合参数来改变修逝波场的场强和相位分布，例如改变入射波的入射角，改变耦合间距。二是通过区域性改变微腔的折射率分布来改变微腔的修逝波场的场强和相位分布，如折射率改变（△n）折射率梯度（dn/dr）。探讨选择性抑制高阶模形成改善微腔性能的途径。使得基模获得到高能量密度，和更低的模式体积为研究原子或离子与微腔的相互作用提供更好的环境。     

低群速度色散和低损耗的二维光子晶体慢光波导

利用平面波展开(PWE)法分析了慢光在由介质柱和空气背景构成的二维三角晶格光子晶体耦合微腔波导中的传播特性.数值模拟结果表明:随着缺陷腔之间距离的增大,导模的群速度减小很快;兼顾色散和损耗的影响,当相邻微腔间距两倍于晶格常数时,耦合微腔波导单位厚度(mm)透射比为47%,带宽为1.97 GHz,导模有效群折射率为22....     

光子晶体局域缺陷模及耦合特性研究

用超胞平面波展开法计算了二维正方格子介质柱光子晶体缺陷模,系统模拟了在改变缺陷模数目和缺陷模之间的距离及在不同耦合方向等情况下的耦合特性。计算结果表明：局域缺陷模之间的耦合所产生分裂的缺陷模式频率随着缺陷之间的距离而发生变化．当缺陷之间距离增加时,缺陷模之间耦合变得越来越弱且奇模和偶模交替变化;随着耦合缺陷点数目增加,缺陷模在光子带隙内形成一个缺陷带;当平面波平行于缺陷模耦合方向入射时．可以同时激发奇模和偶模．当入射平面波垂直于耦合方向时．仅产生偶模;沿对角线方向耦合的定域化的缺陷模电磁场快速衰减使得那些方向每一个单谐振腔局域光场与它邻近的谐振腔不发生耦合,其本征频率与波矢无关。     

微腔旋转对耦合腔光波导群速度的影响

本文利用多重散射方法和时域有限差分方法,理论研究了微腔旋转对二维正方晶格光子晶体耦合腔光波导群速度的影响.研究结果表明,通过旋转微腔可以造成传播模的模式分裂,从而实现群速度的降低.当微腔旋转角度为45°时,传播模的群速度最小,两个传播模的群速度分别达到了0.0016倍和0.0009倍于真空光速,与微腔未旋转时相比降低了一个数量级.上述两种传播模群速度的差别是由传播模的空间对称性决定的. 关键词： 二维光子晶体 耦合腔光波导 群速度     

含色散介质的一维光子晶体微腔中简正耦合模的物理图像

对一维光子晶体中的色散介质采用洛伦兹振子模型,对线性层及色散δ层均采用传输矩阵的方法,研究了一维含色散介质的光子晶体微腔中的简正耦合模.通过改变洛伦兹振子和微腔之间的失谐频率,分析了简正耦合模频率的变化情况.在失谐频率比较大时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较小,简正耦合模中的一个接近腔模频率,而另一个则接近洛仑兹振子的共振频率;在失谐频率比较小时,光与洛仑兹振子间的耦合作用较大,简正耦合模与未耦合的腔模频率和洛仑兹振子的共振频率之间的差别较为明显.最后通过引进该结构的复有效折射率,对含色散介质的系统,由于带隙中间的共振模被湮灭并分裂为左右两个耦合模,其复有效折射率虚部在原共振峰处跃变为一较大值,而在新生成的两个耦合模附近趋近于零,光与色散介质相互耦合而形成的腔极化激元的物理图像十分清晰.     

波导基本结构对光子晶体耦合腔光波导慢光特性的影响

研究了二维光子晶体耦合腔波导的结构对慢光特性的影响,发现微腔间的距离n、填充因子r/a和缺陷柱的尺寸rd是影响光子晶体禁带中慢光导模传输特性的重要参数。随着缺陷微腔间距离的增加,导模群速度vg急剧减小;当填充因子和缺陷柱尺寸增加时,导模向低频方向移动,同时,导模群速度降低;填充因子和缺陷柱尺寸降到一定数值后,vg达到最小值,此后,当r和rd分别超出其特定值继续增大,导模群速度反而增大。取微腔之间介质柱个数为6,普通介质柱尺寸为r=0.22a,a为光子晶体晶格常数,缺陷柱尺寸为rd=0.12a,得到导模群速度最大值vgmax1.93×10-3c,带边处vg10-4c(c为光速)。这一结果显示,通过基本结构设计可以实现对光子晶体耦合腔光波导中慢光的有效控制,这将为基于光子晶体功能器件的设计和应用提供有效的支持。     

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.     

消逝场耦合圆柱形微腔中回音壁模式结构的实验研究

采用石英圆柱形微腔与锥形光纤通过消逝场耦合的方式,在实验上观察到了不同半径的柱形微腔中清晰的回音壁模式,耦合效率接近10%. 利用柱形微腔回音壁模式位置和间隔的解析近似公式,对实验所得的透射光谱做了模式的精确标定,共振波长的实验值和标定值间的误差小于0.05nm. 引入回音壁模式的“模场半径”概念,由“模场半径”计算出的模式间隔和实验测量值之间符合很好. 利用透射光谱中的共振波长和理论标定波长间的差值,得到了实验光谱范围内(1295—1320nm)石英光纤的色散曲线,折射率精度达10^-5. 关键词： 圆柱形微腔 回音壁模式 模式标定 模场半径     

基于多孔硅分布Bragg反射镜的有机微腔的光学性质

报道了采用多孔硅多层膜作为Bragg反射镜的有机半导体光学微腔.被测样品的光致发光谱半 高宽可由无微腔下的83nm窄化为有微腔时的4nm,非共振模得到有效的抑制.同时共振峰强度 的增强和峰位随出射角增大的“蓝移”等微腔效应也被观测到. 关键词： 微腔 多孔硅 有机半导体     

含双负缺陷的一维光子晶体耦合腔的杂质带特性

利用转移矩阵方法研究了含双负缺陷的一维光子晶体耦合腔的透射谱.计算结果表明，如果改变缺陷的折射率，缺陷模之间的耦合作用将发生改变，使得能隙中的杂质带也随之改变.若这个折射率取适当值，则可以在禁带中同时出现几个尖锐的透射峰和较宽的通带，这种结构可同时用于多通道窄带滤波和宽带滤波. 关键词： 光子晶体 缺陷模 杂质带 滤波     

光学微盘腔与三能级量子点系统中的模耦合研究

用一种全量子理论方法研究了波导、光学微盘腔与三能级量子点耦合系统的动力学过程,求出其耦合后的透射模和反射模的解析解. 由于微腔表面粗糙引起反向散射,在微腔内形成两简并回音壁耦合共振模,其耦合率为β;量子点的两激发态分别以耦合率g₁,g₂与回音壁耦合共振模产生耦合. 在实数空间里,得出透射光谱和反射光谱的数值解,这些三能级模型结果比二能级模型结果更接近真实光学微盘腔系统,能更好地显示耦合系统的动力学特性. 关键词： 模耦合 光学微盘腔 三能级量子点 全量子理论