光子晶体滤波特性分析

采用时域有限差分(FDTD)方法,研究光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性.计算结果表明,处于光子晶体禁带的光能被局域在光子晶体波导中传输.而具有特定本征共振频率的光子晶体微腔可将在其附近波导中传播的相应频率成份的光下载到微腔中,不同结构的腔可以“下载”不同频率成份的波.以上计算结果,可用于光子晶体上/下载滤波器的设计.     

点缺陷二维光子晶体波导的出射光集束

光子晶体器件在高密度集成光通信中有广泛的应用,为解决光子晶体波导出射光场的空间控制,采用时域有限差分法分析光子晶体波导结构的缺陷传播特性,提出基于点缺陷优化波导结构,通过在波导出射口两侧加上点缺陷,出射光方向性有显著提高,实现三点光源干涉系统的光集束。模拟结果表明缺陷态越靠近能带结构中央,共振腔的耦合效率越高;相反,缺陷态越靠近能带结构边缘位置,则共振腔耦合效率越低,因此,选取禁带区域四分之一处对应的点缺陷,可以有效实现波导出射的光集束。     

光子晶体共振现象研究

完整二维光子晶体中引入点缺陷后，在光子晶体禁带中会有共振模出现；将时域有限差分方法(FDTD)用于光子晶体共振特性研究中，给出共振频率的位置，直观地给出共振现象发生的过程。     

二维异质结光子晶体中含近邻点缺陷的弯曲波导的可调谐滤波特性

应用时域有限差分(FDTD)法,对光在二维异质结光子晶体中含两个近邻点缺陷直角弯曲波导的传输特性进行了数值模拟研究。计算结果表明,具有特定本征共振频率的光子晶体微腔(点缺陷),可将在其邻近波导中传播的相同频率成分的光波"引入"到微腔中。"引入"的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参量,从而能够实现调变"引入"频率。通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径,可分别实现约31 nm或12 nm的波长调谐范围。计算结果为光通信中的调谐、上/下载滤波器,提供了一条新的设计思路和依据。     

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     

高透射率慢光速的光子晶体耦合腔波导的研究

将二维三角晶格光子晶体波导和微腔结构结合,优化设计了一种二维三角晶格光子晶体共振耦合腔波导,运用时域有限差分法(FDTD)模拟共振耦合腔波导TE偏振光的透射谱,通过透射谱得到传输光的透射率和群速度。结果表明,合适参数的二维三角晶格共振耦合腔波导在波长1.551μm处的群速度为c/130、透射率为20.1%,在波长1.502μm处的群速度为c/50、透射率为29.2%。运用平面波展开法(PWE)计算的该波导的能带结构对慢光特性进行了分析。这种慢光特性的光子晶体波导将在光存储、光延迟及光子集成等方面有潜在的应用价值。     

含Kerr介质二维光子晶体波导传输特性的NFDTD分析

利用非线性时域有限差分法(NFDTD)理论,导出了含Kerr介质的二维NFDTD算法的离散表达式,并对含Kerr介质点缺陷的二维光子晶体波导传输特性进行了分析,得到了相应的透射频谱和光场分布图.研究发现,对于输入该波导的归一化频率为0.419的光信号,当入射光强小于2.8×104W/m2时,信号几乎不能通过;当入射光强大于2.5×106W/m2时,信号能通过.这些结果将有助于光子晶体光限幅、光开关等器件的设计.     

光子晶体四信道波分复用器的研究

提出了一种由2-D光子晶体构成的四信道波分复用系统。该系统包括利用光子晶体的线缺陷实现的波导部分和利用光子晶体微腔实现的频率选择部分。采用时域有限差分(FDTD)方法,研究了光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性,并给出了仿真结果。计算结果表明,该结构可以实现波长为λ=1550nm附近的四信道波分复用。     

基于二维光子晶体点缺陷可调谐光功率分配器

在二维矩形阵列结构硅光子晶体中去除中间一排硅柱形成线波导,在线波导右侧引入点缺陷。利用时域有限差分法(FDTD)模拟仿真以及数值分析研究线波导中光耦合特性,计算出两个通道的分光比,发现改变光子晶体的温度可以明显改变这两个通道的光功率比。基于此结构,提出了一种新的光功率分配器,可以获得大范围的光功率比值,从1∶1～90∶1都可以通过改变光子晶体的温度来实现,并且当温度从0℃～200℃就可以实现这一功能,最后设计了一款三通道可调谐光功率分配器,通过调节两个点缺陷区域内温度来实现光功率的分配。     

用两端对称缺陷复合光子晶体实现多通道滤波和光开关

用传输矩阵法计算了两端对称缺陷复合光子晶体结构的光传输特性。计算结果表明:两端对称缺陷复合光子晶体[D(AB)mD]2结构中的禁带出现两个完全共振透射峰。通过控制入射光强来微调光子晶体材料的介电常数,使得完全共振透射峰移动,且介电常数变化越大,共振透射峰偏移越大,从而形成高效率的双通道光开关。当光子晶体为[D(AB)mD]N结构时,每个完全共振透射峰都分裂为N-1条,这样可通过调节N同时实现所需要通道数目的高效多通道光开关和多通道滤波器。     

光子晶体波导定向耦合器

在完整二维光子晶体中引入线缺陷后，就形成了光子晶体波导；将时域有限差分方法(FDTD)用于光子晶体波导耦合研究，计算了不同耦合长度情形下的波导各个出口处的透过率，结果表明：光子晶体波导耦合遵循普通介质波导耦合的一般规律，也有定向耦合的功能。进一步的研究表明：对于不同的频率，光子晶体定向耦合器耦合系数是不同的，并且耦合系数和对应的频率之间近似直线关系。     

基于磁光子晶体的低损耗窄带THz滤波器

本文提出一种采用石榴石型铁氧体磁性材料的太赫兹滤波器,利用波导线缺陷和腔内点缺陷的耦合特性,通过改变腔内介质柱半径及分布,实现对某个波长的耦合,达到了高效率滤波的功能;改变外磁场的大小,影响铁氧体材料的磁导率变化,使谐振频率发生改变,从而对THz波进行滤波.应用平面波展开法(PWM)和时域差分有限法(FDTD)进行仿真分析,研究结果表明,该滤波器其插入损耗为0.0997 d B,3 d B带宽为8.22 GHz,实现了低损耗窄带滤波.     

高效光子晶体太赫兹滤波器的设计

提出了一种新型光子晶体太赫兹(THz)滤波器,该滤波器包括利用线缺陷实现的波导部分和利用微腔实现的频率选择部分.应用平面波法(PWM)分析其带隙结构,然后应用时域有限差分法(FDTD),研究THz波在此滤波器中的传输特性,结果表明,通过改变点缺陷的结构和增大某些介质柱的半径,可以使该滤波器实现高耦合效率的单信道单频率滤波. 关键词： 光子晶体 THz波 平面波法 时域有限差分法     

金属光子晶体平板的超强透射及其表面等离子体共振

用全矢量的三维有限差分时域(finite-difference time-domain,简称FDTD)方法,研究了正方形单元结构金属光子晶体平板的增强传输效应以及局域性表面等离子体共振现象.这种增强效应来自于两个不同的等离子体共振机制：由长方形空气孔形成的局域波导共振以及由周期性结构引起的光子晶体共振效应.对于由长方形空气孔形成的局域波导共振模式,其等离子体波全部局域在整个长方形空气孔区域中.而由周期性引起的共振模式,其频率随着金属平板表面周期性的变化而变化,相应的等离子体波分布在长方形空气孔区域的两端.产生的表面等离子体都局域在长方形空气孔区域中,电场强度得到了显著的增强. 关键词： 光子晶体 金属平板 超强透射 表面等离子体     

Observations of defect propagation in [100]-oriented opal-type photonic crystals

Charged colloidal suspensions have been used as experimental models for the study of crystal nucleation. Here we propose that the technique of template-assisted colloidal self-assembly can be used to visualize the effects of defect propagation in atomic crystal films produced using epitaxial growth. Templates with periodic line defects were used to grow [100]-oriented three-dimensional photonic crystals by means of the template-assisted colloidal self-assembly method, aided by capillary and gravitational forces. The defect propagation in the [100]-oriented photonic crystal was observed using scanning electron microscopy, both at the surface of the crystal and on cleaved facets. This method is useful in the understanding of defect propagation in the growth of colloidal films on templates - and the same approach may also prove useful for the understanding of atomic crystal growth on substrates with defects. Additionally, the deliberate incorporation of line defects may prove valuable as a way of introducing waveguide channels into three-dimensional photonic crystals.     

Numerical studies of 2D photonic crystals: Waveguides,coupling between waveguides and filters

In photonic crystals, light propagation is forbidden in a certain wavelength range, the bandgap. In a two-dimensional crystal composed of parallel high-refractive index rods in a low-index background a line defect can be formed by removing a row of these rods, which can act as a waveguide for frequencies in the bandgap of the crystal. In order to get more insight into the main features of such waveguides we have studied a number of properties, using simulation tools based on the finite difference time domain method and a finite element Helmholtz solver. We show conceptually simple methods for determining the bandgap of the crystal as well as the dispersion of a waveguide for wavelengths in this bandgap. For practical applications, it is also important to know how much light can be coupled into the waveguide. Therefore, the coupling of light from a dielectric slab waveguide into the photonic crystal waveguide has been examined, showing that a coupling efficiency of up to 83% can be obtained between a silicon oxide slab and a waveguide in a crystal of silicon rods. Finally, calculations on an ultra-compact filter based on reflectively terminated side-branches of waveguides (similar to tuned stubs in microwave engineering) are shown and discussed.