一维光子晶体非线性色散特性的分析

从无限周期一维光子晶体的色散关系和有限周期光子晶体的透射系数两个方面,对有限和无限周期光子晶体有效折射率的实部和虚部特性曲线分别进行了计算和分析.结果表明一维光子晶体的色散曲线与弹性电偶极子的经典色散曲线类似,在光子晶体的导带为正常色散,而在禁带呈现反常色散.并且用简约布里渊和扩展布里渊区色散曲线对文献报道中存在的两种矛盾的计算结果进行了理论的探讨.解释了导致对一维光子晶体有效折射率计算存在两种不同结果的原因.     

一维函数光子晶体的研究

本文提出一种新型函数光子晶体, 其折射率是空间位置函数. 由费马原理, 我们给出光在一维、 二维和三维函数光子晶体中的运动方程, 以及一维函数光子晶体的色散关系、 带隙结构和透射率, 再利用传输矩阵理论研究函数光子晶体周期数、 入射角和介质层的厚度等对透射率和禁带结构的影响, 计算发现通过选择不同的折射率空间分布函数, 可以得到比传统光子晶体更宽或更窄的禁带结构. 这样为我们设计不同带隙结构的光子晶体提供理论依据.     

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.     

含负折射率材料的一维“啁啾”光子晶体的透射谱

将"啁啾"函数引入到含负折射率材料的一维光子晶体中,利用转移矩阵法对这种光子晶体的透射谱进行了研究。通过计算模拟了这种光子晶体的透射谱随入射角、频率的变化关系,并计算了这种晶体的复有效折射率的表达式。结果表明,当"啁啾"函数对厚度调制不大时,该晶体具有很宽的反射带,并且反射带对入射角度反应不敏感,其原因是由于其复有效折射率的实部几乎为0,而虚部较大。利用这一特性可以用来制作高品质的宽带全方位反射镜。     

光脉冲在一维负折射材料光子晶体中的传播

讨论了一维负折射光子晶体对光脉冲传播的影响.通过对光脉冲的透射场强的数值计算发现，频谱处于一维负折射率材料光子晶体禁带中的短脉冲通过光子晶体后基本保持形状不变，而对同样的短脉冲通过传统的一维光子晶体的透射脉冲则出现严重畸变.当考虑负折射率材料的色散时，讨论了位相时间随光脉冲载波频率的变化情况.     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

一种简便的研究一维光子晶体禁带特征的新方法

利用光在一维光子晶体中传播的色散关系,提出了一种禁带边缘分析法,以研究一维光子晶体禁带特征的方法.该方法利用色散关系引入一个确定禁带边缘位置的函数F,F =0为禁带边缘的位置.通过绘出函数F的图线,由F =0确定禁带边缘的位置,进而分析得到禁带和允许带的特征.它避免了常用的特征矩阵法中对反射率复杂的数值计算,并能得到与特征矩阵法相同的结果.     

有限周期的一维光子晶体的透射率及其禁带

用传输矩阵方法得到了有限周期的一维光子晶体的复透射系数和透射率的解析表达式.根据这个结果,分析讨论了一维光子晶体的光子禁带产生的原因,讨论了光子禁带及透过带的特征,并用透射率讨论了λ₀/4片组成的有限个周期的一维光子晶体的光子带结构,得到了与用其它方法相同的结果.     

偏振态对复周期光子晶体禁带的影响

对于一维复周期光子晶体,当制作用的波长满足一定条件时可以实现禁带的展宽,本文利用传输矩阵法数值计算了偏振态对折射率渐变的一维复周期全息光子晶体的禁带的影响。通过计算发现,制作波长不等的复周期结构光子晶体,随着再现光的照射角度增大,S偏振态下禁带出现分裂;P偏振态下禁带均可视作完整展宽,没有分裂现象。同一制作波长两次曝光制作的复周期结构,不论是P偏振还是S偏振,禁带均实现展宽而没有分裂。这一结果对实现一维全息光子晶体禁带展宽具有指导意义。     

光折变材料的带隙结构研究

利用光子晶体的概念和时域有限差分方法计算了当光折变材料的空间折射率呈一维正弦变化时其内部的带隙结构情况,表明在光折变材料中存在极窄的光子带隙。最后讨论了折射率(n)、折射率调制幅度(△n)、周期长度(D)及周期数(N)对光子带隙的影响。     

等效折射率为非-1时的亚波长成像

本文采用硅柱子周期性排列构成六角结构光子晶体,用平面波展开方法和FDTD方法研究表明,此结构光子晶体存在等效折射率接近-1的频率区域.在等效折射率趋于-1但不等于-1时,此光子晶体平板结构超透镜能形成一个非近场的像.模拟还发现,此结构平板光子晶体等效折射率为非-1时,可以亚波长成像. 关键词： 负折射 光子晶体 亚波长 成像     

介质柱型二维Triangular格子光子晶体的禁带特性

采用平面波展开法数值计算了空气背景中由圆形、正六边形和正方形介质柱构造的二维三角晶格光子晶体禁带结构,并研究了介质方柱旋转角度、介质折射率和填充比对完全光子禁带宽度的影响.结果表明,在低频区,介质方柱旋转17°时,出现最大完全光子禁带,且最大禁带宽度随介质折射率的变化较为稳定.在高频区,介质方柱旋转30°时,完全光子禁带宽度最大;且介质材料折射率n=2.2时即出现完全光子禁带,n=2.6时,完全光子禁带达到最大.     

Performance Investigation of Photonic Crystal-Based Microring Resonator for Optical Signal Processing

Abstract

A detailed theoretical analysis is presented to characterize wave propagation at 1,550 nm inside a glass (SiO₂) microring resonator implemented using photonic crystal technology. A photonic crystal reflection is used at each microring resonator corner to enhance the bending efficiency. The characteristics of both photonic crystal beam splitter and microring resonator bending losses are analyzed and investigated using both effective refractive index and finite difference time domain methods. Analytical expressions are also derived to describe the field enhancement inside the microring resonator, the transfer function of the microring resonator, and the main parameters characterizing the resonator such as resonator band width and quality factor. The analysis is also extended to characterize a drop filter implemented using photonic crystal-based microring resonator. The results indicate clearly that the effective refractive index method can give accurate results if one starts the calculations with finite difference time domain-estimated beam splitter parameters. Further, bending efficiency as high as 99% can be obtained using a ten-post layer photonic crystal mirror at each microring resonator corner.     

色散负折射特异介质的1维光子晶体缺陷态

在1维光子晶体中引入色散负折射特异介质,分析了其介电常数和磁导率在微波区（1～10 GHz）与频率的关系。分别对以色散负折射介质为缺陷的正折射率介质光子晶体及以正折射率介质为缺陷的正负折射率介质光子晶体进行了数值仿真,得出了均匀平面电磁波在正入射和斜入射时的透射谱。结果表明:在介电常数和磁导率均为负值的不同禁带中,分别出现了单、双缺陷模。利用透射谱的这一特点,可实现单、双通道滤波。     

Photonic band gap of one-dimensional periodic structure containing dispersive left-handed metamaterials

Band structures of one-dimensional(1D)photonic crystals(PCs)containing dispersive left-handed metamaterials are studied theoretically.The results show that the structure possesses a type of photonic band gap originating from total internal reflection(TIR).In contrast to photonic band gaps corresponding to zero average refractive index and zero phase.the TIR gap exhibits sharp angular effect and has no polarization effect.It should also be noted that band structures of transverse electric(TE) and transverse magnetic(TM) mode waves are exactly the same in the PCs we studied.     

Photonic band gap from a stack of positive and negative index materials

Layered heterostructures combining ordinary and negative refractive index materials are shown to display a new type of photonic band gap corresponding to zero (volume) averaged refractive index. Distinct from band gaps induced by Bragg scattering, the zero-n; gap is invariant upon a change of scale length and is insensitive to disorder that is symmetric in the random variable. A metallic structure that exhibits such a band gap is explicitly designed, and its properties are calculated with accurate finite difference time domain simulations.     

光子晶体中基于有效折射率接近零的光束准直出射

利用平面波展开法(PWM)和时域有限差分法(FDTD)研究了二维正方格子光子晶体靠近禁带边沿附近频率光波的传输特性.研究发现,若有效折射率接近于零,可出现光束从晶体表面准直出射的现象,且光束的出射方向只与晶体表面的取向有关,而与晶格取向无关.这种现象与自准直现象有很大不同.