纳米集成光路中的光源、光波导和光增强

使用近场光学显微术(scanning near-field optical microscopy, SNOM)研究了ZnO亚微米线端面出射性质，不同空间形貌Ⅱ-Ⅵ族半导体荧光器件光波导特性，二维光子晶体、准晶光子晶体对LED的出射增强作用以及表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)与半导体纳米荧光器件的相互作用，对纳米集成光路中的光源、光波导、光增强三个重要问题做了实验和理论上的分析.研究发现半导体微纳米线端面出射光束的质量与样品的直径有密切关系.通过合理地设计其直径和     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展开方法计算了光子晶体线缺陷波导中的色散曲线.研究发现:在色散曲线下边缘处,材料折射率的一个微小变化可以引起传输常数的较大变化,如果工作频率点选择在带下边缘附近,则可以大幅度减小相位移调制型器件调制区域的长度.本文使用时域有限差分方法进一步验证这种增强效应,计算结果表明,对于0.46%的折射率变化,光子晶体线缺陷波导中的相位调制长度仅为均匀媒质中相位移调制长度的11.7%.通过以进一步研究,这种增强效应有望应用与高密度集成光路.     

二维硅基平板光子晶体器件

硅材料在红外通讯波段具有低损耗和高折射率的特性,使得其成为集成光学领域中应用最广的材料之一.主要介绍了本课题组在二维硅基平板光子晶体中实现微纳尺度上光调控的研究进展,讨论了利用光子晶体的缺陷态实现各种集成光学器件,包括光子晶体波导、微腔和利用光子晶体波导和微腔形成的滤波器.还介绍了光子晶体中特殊的光折射现象,包括红外波...     

光子晶体线缺陷波导中的折射率相位移调制增强效应

在传统的基于全内反射原理的低折射率比介质波导所构建的相位移调制型光学器件中,调制区域的长度通常在毫米到厘米量级.由于器件横向尺寸保持在微米量级,因此狭长结构成为了传统光波导器件的典型特征,这限制了光学器件集成度的提高,严重制约了集成光路的进一步发展.光子晶体的出现为高密集成光路的发展提供了一条新的途径.本文使用平面波展...     

利用耦合波导列提高光子晶体波导辐射

将耦合波导列应用于光子晶体单模波导,提出一种提高光辐射的光子晶体结构. 基于时域有限差分方法的理论研究表明,当将耦合波导列附加到单模光子晶体波导出口端的适当位置,使出射光分成若干强弱不一的光束,这些光束在传播空间通过干涉形成一定程度的汇聚,大大提高了光子晶体波导在水平方向的光辐射效率. 另外,当耦合波导列的行数大于某固定值(2N=8)时,辐射质量基本保持不变,由此可获得最紧凑的器件结构. 这种类型光子晶体在近场光学和集成光学等诸多方面有潜在的应用价值. 关键词： 光子晶体波导 光辐射 波导列 耦合波导     

SNOM应用于光电材料和器件的光学特性的探测和表征

介绍了近场光学及近场探测的原理 ,给出了其用于光电器件研究中的一些结果。近场光学方法具有超衍射分辩的本领和纳米局域光场探测的能力 ,适用于多种光电材料的探测与表征 ,包括 :LD、光纤波导器件、光子晶体器件等。纳米局域光场和倏逝场的探测发现了许多远场探测无法得到的结果 ,为光电器件纳米结构的研究提供了有力证据     

慢光在光子晶体弯折波导中的高透射传播

研究了慢光模式在SOI(silicon-on-insulator)材料光子晶体线缺陷弯折波导中的传输特性. 通过优化波导弯折处的结构参数,慢光模式在光子晶体60°与120°弯折波导中的透射率提高10倍以上,归一化透射率分别达到80%和60%以上. 为了进一步减慢光速,设计了新颖的高Q值耦合腔弯折波导结构,在归一化透射率达到75%的基础上,光波群速度低至c/170(c为真空光速). 研究结果对于增强光子晶体的慢光效应,提高光子晶体慢光器件的微型化和集成化都有一定的积 关键词： 光子晶体 慢光 弯折波导 透射率     

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。     

基于半导体材料微纳波导全光逻辑门的研究进展

全光逻辑门是全光计算以及全光信号处理系统中关键的光子器件.随着互补金属氧化物半导体(COMS)工艺的发展,基于半导体材料微纳波导全光逻辑门已经成为集成光学领域中的重要方向;尤其是硅基光子集成器件在近些年成为了国际研究热点.文章主要对基于绝缘体上的硅(SOD)和Ⅲ-Ⅴ族化合物材料不同波导结构(马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)微环谐振腔和条形波导结构)的全光逻辑门的研究进展进行了介绍,并且在器件的工作速率和功耗方面,分别对上述基于SOI和Ⅲ-Ⅴ族化合物材料三种不同波导结构的全光逻辑门进行了分析和比较.     

超快激光微加工技术在集成光学领域的应用

<正>1.引言1969年,集成光学的概念被米勒(S.Miller)博士提出。集成光路是一种能够在极小的区域内完成对光信号低功耗和高稳定性的高速传输和处理的集成光子学系统,在以后的光信息处理和光通讯领域应用前景广阔、研究意义重大。光波导器件不仅可以限制和引导光的传输,还能实现非线性和主动增益;同时与集成光路中的其他元件相互结合,共同组成拥有多样功能的"高密度集成光子芯片",     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

无序光子晶体提高GaN基蓝光发光二极管光提取效率的研究

亚波长尺度光子晶体结构可有效提升发光二极管(LED)的光提取效率(LEE),然而在制造过程中会存在缺陷或无序.利用时域有限差分法对理想方形光子晶体结构进行了优化,在此基础上对三种无序光子晶体结构进行了仿真,研究了光子晶体结构参数的无序变化对GaN基蓝光LED LEE的影响.结果表明,光子晶体空气孔位置和半径的无序变化使优化的80 nm光子晶体LED的LEE下降,而可使非优化的60nm光子晶体LED的LEE增加;当光子晶体空气孔位置和半径的无序变化量从0到士20 nm之间变化时,LEE最大会产生53.8％的浮动;光子晶体刻蚀深度的无序变化对LEE影响较小,一般可以忽略,研究结果为高性能蓝光光子晶体LED的设计制作提供了重要的理论参考.     

Slow light in photonic crystals waveguide constructed with symmetrically perturbed structure

Symmetrically perturbed photonic crystal waveguide can be constructed by inserting perturbative dielectric rods into photonic crystal waveguide structure with whose rods’ radius distributed according to a certain proportion. Slow light properties in this new structure are studied by using the plane wave expansion method (PWM). In this paper, schemes of adjusting radius of perturbative dielectric rods and adjusting the dielectric constant of perturbative dielectric rods are proposed to optimize slow light properties. The result shows that the scheme for adjusting radius of perturbative rods can realize larger average slow light bandwidth and efficiently control the NDBP value of the waveguide, but it contributes little to obtain smaller group velocity. The scheme for adjusting dielectric constant of perturbative rods can realize smaller group velocity, but can only obtain smaller slow light bandwidth and cannot efficiently enlarge NDBP value of waveguide. Both optimization schemes proposed in this paper realize group velocity that is two magnitudes smaller than the vacuum speed of light meanwhile maintaining large NDBP and low GVD region. Our results provide important theoretical basis for the potential application offered by symmetrically perturbed photonic crystal in future optical networks.     

非线性一维光子晶体波导光双稳

利用非线性折射率系数较大且非线性时间响应较快的CdS_xSe_1-x玻璃为材料,设计并制备了非线性一维光子晶体波导光双稳器件,该器件的折射率空间分布呈正弦形式。实验测得双稳开关的阈值功率密度为1.60×10⁵W/cm²,开关时间为63ps。采用时域有限差分方法讨论了光子晶体带隙随入射光强变化而移动的情况,随着入射光功率密度的增加,光子晶体的带隙中心向短波方向移动。同时计算了该器件的双稳特性,理论计算得到双稳开关的阈值功率密度为1.40×10⁵W/cm²,开关时间约为50ps。获得了理论与实验基本一致的结果。     

Broadrange tunable slow and fast light in quantum dot photonic crystal structure

Slow and fast light processes, based on both structural and material dispersions, are realized in a wide tuning range in this article. Coherent population oscillations(CPO) in electrically tunable quantum dot semiconductor optical amplifiers lead to a variable group index ranging from the background index(nbgd) to ～ 30. A photonic crystal waveguide is then dispersion engineered and a group index of 260 with the normalized delay-bandwidth product(NDBP) of 0.65 is achieved in the proposed waveguide. Using comprehensive numerical simulations, we show that a considerable enhancement of slow light effect can be achieved by combining both the material and the structural dispersions in the proposed active QDPCW structure. We compare our developed FDTD results with analytical results and show that there is good agreement between the results, which demonstrates that the proposed electrically-tunable slow light idea is obtainable in the QDPCW structure.We achieve a total group index in a wide tuning range from nbgdto ～ 1500 at the operation bandwidth, which shows a significant enhancement compared with the schemes based only on material or structural dispersions. The tuning range and also NDBP of the slow light scheme are much larger than those of the electrically tunable CPO process.     

基于硅纳米线波导的两级光子晶体缩束器

鉴于在微观领域光波的缩束对实现光电集成的重要意义,提出了基于硅纳米线波导的两级光子晶体缩束器。其中一级压缩基于W5型和W1型光子晶体波导间的高效耦合。二级压缩则由宽为0.1μm,长为3.06μm的纳米线波导和W1型光子晶体波导构成,通过二者的高效耦合实现光束压缩。当W1型光子晶体波导和纳米线波导间介质柱的半径为0.04μm时,对于1550nm波长的电磁波,缩束器的通光效率可达93.4%,压缩比为16.08,出射光束半峰全宽仅为0.148μm。     

采用银纳米圆盘阵列提高LED发光特性的研究

为了提高GaN基蓝光LED的发光效率,设计了在LED有源层上方引入银纳米圆盘阵列的模型。利用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘阵列不同结构参数情况下LED有源层自发辐射率的变化情况及光提取效率值。通过对有源区的近场分布和LED远场方向性的分析,理论上解释了利用该金属纳米结构生成的表面等离激元对LED性能增强的影响,利用该模型可使得表面等离激元与有源层有效耦合,从而增强有源层的自发辐射率。此外,银纳米粒子组成的阵列结构所生成的栅格矢量可以补偿表面等离激元的波矢量,从而可将局域化表面等离激元转为辐射性表面等离激元,显著提高LED顶端光提取效率。结果表明,当银纳米圆盘颗粒满足直径为120nm,厚度为30nm时,含该结构的GaN基蓝光LED自发辐射率比普通LED增强了3.6倍。在此基础上,当其按照晶格常数为220nm的三角晶格排列时,顶端光提取效率增强为2.5倍。这些结果为实际的高性能GaN基LED的设计与优化提供了一定的参考。     

Terahertz photonic states in semiconductor-graphene cylinder structures

We propose a semiconductor-graphene cylinder that can serve as a terahertz (THz) photonic crystal. In such a structure, graphene plays a role in achieving a strong mismatch of the dielectric constant at the semiconductor-graphene interface due to its two-dimensional nature and relatively low value of the dielectric constant. We find that when the radius of the outer semiconductor layer is about ρ(1)~100 μm, the frequencies of the photonic modes are within the THz bandwidth and they can be efficiently tuned via varying ρ(1). Furthermore, the dispersion relation of the photonic modes shows that a semiconductor-graphene cylinder is of excellent light transport properties, which can be utilized for the THz waveguide. This study is pertinent to the application of graphene as THz photonic devices.     

Liquid refractive index sensor based on slow light in slotted photonic crystal waveguide

A high sensitive and compact refractive index sensor based on slotted photonic crystal waveguide (S-PhCW) is demonstrated. This design is worked on a Mach–Zehnder interferometer (MZI) configuration with S-PhCW as the measuring arm, which can be used to detect any changes in refractive index that correspond to different concentration of the measuring liquid. Combining the slow light enhancement in photonic crystal waveguide (PhCW) with the advantage of excellent optical confinement in slot waveguide, the sensitivity of this simple scheme can reach to 2.3 × 10⁹ nm/RIU with the active region of only 1 mm long.