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.     

一维缺陷光子晶体温度的测量

采用Si和SiO₂两种介质材料构造一维缺陷光子晶体，缺陷层介质为Si，利用传输矩阵法对带有缺陷的一维光子晶体的传光特性进行了理论分析，并得到其带隙特性.由于缺陷的存在，使得光子晶体的透射谱中产生缺陷峰.当被测温度变化时，根据两种介质的热光效应和热膨胀效应，光子晶体介质和缺陷层的光学厚度和折射率发生变化，透射谱缺陷峰产生漂移，由缺陷峰的中心波长漂移量得到被测温度的大小.构建了一维缺陷光子晶体测量温度的实验系统，实验结果表明缺陷峰中心波长与光子晶体所受的温度呈线性关系，测量灵敏度为0—2     

调控电磁感应透明气体折射率实现可控光子带隙结构

提出了电磁感应透明(EIT)介质的一个新的相干操纵应用：控制电磁感应透明气体折射率实现可控光子带隙结构. 将一定密度的EIT原子气体充入以砷化钾为背景的椭圆孔柱中，计算表明该三角晶格排列椭圆柱光子晶体的光子带隙随外控制场而变. 通过调控自发辐射率、无辐射衰变率、控制光Rabi频率、原子数密度等外参数以及椭圆结构几何参数，在高频率区域得到了大小约0.0503ω_e(ω_e=2πc/a)的完全光子带隙.     

Ta2O5/MgF2异质结构三维光子晶体的偏振性

为了在可见及近红外波段得到具有良好带隙结构的三维光子晶体,利用传输矩阵法分析了MgF₂、Ta₂O₅ 以及Ta₂O₅/MgF₂异质结构三维光子晶体的带隙性质.结果表明：Ta₂O₅/MgF₂异质结构三维光子晶体在820~1 020 nm的近红外波段TM模式下具有不受入射光方向影响的全方位光子带隙.该结构有望用于制作近红外光波段的偏振器件.     

利用介质光子晶体提高红光发光二极管的光通量的研究

本文利用光子晶体的光栅衍射原理, 在发光二极管(light emitting diode, LED)上制作了光子晶体结构以提高出光效率. 在红光LED器件中引入了SiO₂层的介质光子晶体结构, 并进行了相应的理论分析和实验验证. 结果表明: 介质光子晶体结构对于提高红光LED器件的光提取效率有显著效果, 引入介质光子晶体后, 红光LED的光通量比普通LED增加了26%.     

由单负材料组成的一维对称型光子晶体中的隧穿模

由电单负材料A和磁单负材料B构成了一维对称型光子晶体,数值计算表明其带隙中出现了一隧穿模. 材料层数增加,隧穿模宽度急剧变窄,而其位置不变.隧穿模的位置和宽度对入射角的变化都不太敏感. 材料的几何厚度减小,隧穿模的位置蓝移,而其宽度不变. μ_A, ε_B增加,隧穿模的位置红移,宽度减小. 利用隧穿模的以上特性可以实现对电磁波传播的动态调控.     

一维新型阶梯函数光子晶体透射特性

研究了阶梯型折射率n₂₂、n₁₁(阶梯分布高度)的大小、对应的分布厚度、不同入射角以及缺陷模对阶梯函数型光子晶体透射特性的影响.由费马原理给出光在函数光子晶体中的运动方程,再由电磁传播理论给出函数光子晶体的传输矩阵,进一步推导出函数光子晶体的透射率以及电场分布的表达式.研究表明,1)随n₂₂,n₁₁大小或者厚度改变,其禁带变宽;2)随光的入射角增加,其禁带变窄;3)当加入缺陷层时,随着缺陷层介质折射率增加,缺陷模强度减小且位置发生红移;4)在函数光子晶体中,缺陷层前电场分布保持不变,而在缺陷层处以及之后的电场强度都明显增强,这不同于常规光子晶体的电场分布仅在缺陷层处局域增强.     

一维光子晶体带隙随偏振光入射角的演变

用特征矩阵方法得到了一维光子晶体的反射率计算公式,并以λ/4波片堆结构为例对不同入射角度下p偏振光和s偏振光的反射率进行了计算,分析了两种不同偏振光入射情况下光子带隙随入射角演化的特点.     

含特异材料光子晶体隧穿模的偏振特性

构造了由普通材料A(SiO₂)和电单负材料B组成的(AB)^N(BA)^N型一维光子晶体.数值计算表明原禁带的1907.3 nm处出现了一个十分尖锐的隧穿模. 入射角增加,该隧穿模的透射率和半峰全宽度均保持不变,但位置发生蓝移, 入射角在15°-65°的区间内,移动率的绝对值 |dλ/dθ| 较大.当B介质的磁导率μ_B 从5增加到10时,只是隧穿模的位置发生了红移. 介质的几何厚度增加时,隧穿模的透射率不变,但其位置红移明显,半峰全宽略有增加.     

一维光子晶体横磁场模的特性

基于平面波展开法,设计三层一维光子晶体横磁场模结构,改变三层介质厚度和介质折射率的大小,应用MATLAB语言进行仿真计算,在一维光子晶体三层介质厚度值为0.4、0.05μm和0.05μm,折射率为1、3N和12N时形成一维光子晶体带隙宽度最宽为0.2694Hz.研究结论为一维光子晶体器件的设计提供理论依据.     

一维光子晶体的反射率特性

基于平面波展开法,设计九层一维光子晶体结构,通过改变结构中介质层的厚度,运用MATLAB编程计算一维光子晶体反射率特性,厚度差值变小时,不存在反射波的区域将增加变大。研究结果为一维光子晶体器件的设计提供理论参考。     

Spontaneous emission from photonic crystals: full vectorial calculations

Quantum electrodynamics of atom spontaneous emission from a three-dimensional photonic crystal is studied in a full vectorial framework. The electromagnetic fields are quantized via solving the eigenproblem of photonic crystals with use of a plane-wave expansion method. It is found that the photon density of states and local density of states (LDOS) with a full band gap vary slowly near the edge of band gap, in significant contrast to the singular character predicted by the previous isotropic model. Therefore, the spontaneous emission can be solved by conventional Weisskopf-Wigner approximate theory, which yields a pure exponentially decaying behavior with a rate proportional to the LDOS.     

非水溶性光致聚合物光子晶体的研制

报道了一种新型的利用激光全息技术制作光子晶体的记录材料,即自制的非水溶性光致聚合物.用绿光作为光源对材料性能参量做简单测试,经测试其衍射效率可达85%,在波长为514.5 nm处拥有较高的吸收率,且该材料的后处理过程简单,只需热烘.利用Matlab简单模拟全息法制作光子晶体的过程,经模拟得到干涉的光束越多,光子晶体的晶格结构越复杂.设计了制作二维、三维光子晶体的实验光路,分光元件分别为掩模板和去顶棱镜.实验结果表明,利用非水溶性光致聚合物可制作大面积、大体积、耐高温和高强度的二、三维光子晶体,且其晶体结构与Matlab模拟的结果基本一致|利用非水溶性光致聚合物作为记录材料时,光路的搭建是影响实验结果的重要因素.     

One-dimensional photonic crystal fabricated by the photochemical etching of silicon

The formation of periodic wall arrays on an n-type (100) Si substrate with V-shaped seed grooves on the surface was investigated. The influence of silicon sidewall roughness on the optical properties of onedimensional (1D) of photonic crystals obtained on the basis of the arrays was studied. The reflection spectra of the 1D photonic crystals exhibit a high modulation level of up to 95% and photonic band gaps of a high order that are in good agreement with calculations over a wide spectral range (1.5—15 μm).     

Analysis of ultra-small photonic large scale integrated circuits

A detailed study of a platform of ultra-small photonic large-scale integrated circuits was conducted. Bandgap structure calculations of silicon-on-insulator (SOI) based photonic crystals have been investigated. The photonic crystal consists of dielectric cylinders in air. Using the band structure calculations we obtained design parameters for the proposed structures. The coupling between the photonic crystal and a waveguide fabricated from SOI system has been analysed. It is shown that the optical coupling is improved by interfacing different types of spot-size converters (SSCs) between the SOI waveguide and the photonic crystal. Also, the possibility and limitations of silicon doped germanium and SOI photonic crystals to analyse the light guiding in the third dimension is discussed.     

可见光波段SiO2/CdSe一维光子晶体及缺陷模的研究究

采用SiO2/CdSe构建了可见光波段一维光子晶体结构,并在其中引入LiTaO3缺陷层。利用传输矩阵法,分析了电磁波在无缺陷与含LiTaO3缺陷层两种光子晶体中的带隙结构,系统地研究了缺陷层参数对光子晶体可见光波段带隙结构的影响规律。计算结果表明：LiTaO3的引入,有利于带隙宽度的增加,调整缺陷层结构参数,缺陷模的位置可在不同颜色区域出现,如红光、黄光等缺陷模。该结构有望用于制作可见光波段的滤波器。     

含负折射率材料的异质结构光子晶体的光学传输特性

利用传输矩阵法研究了正负折射率材料构成的异质结构光子晶体的光学传输特性。结果表明:当入射波正入射时,在这种异质结构光子晶体内出现了光子带隙,并且带隙内出现了3个极窄的透射峰,这是正负交替光子晶体和常规材料构成的同周期一维异质结构光子晶体所不具有的新颖物理特性。计算了这种异质结构光子晶体的透射谱。发现:这3个透射峰不敏感于入射角的变化,而在带隙两侧的透射峰则会随着入射角增大统一向带隙靠近;能带敏感于晶格厚度和周期数的变化。     

含超导材料Cantor序列一维光子晶体的传输特性

利用传输矩阵法研究了按分形三分Cantor序列构成的一维超导光子晶体的传输特性。数值结果表明,与传统电介质材料构成的光子晶体的频谱不同,这种光子晶体频谱没有展现出自相似性。此外,当构成光子晶体的两种材料的光学厚度相同时,光子晶体的频谱具有明显的周期性,并且在光子带隙中间成对地出现缺陷模。这种特性可以用于设计通道滤波器。     

Floquet-bloch waves in bound one-dimensional photonic crystals

Floquet-Bloch waves in a bound one-dimensional photonic crystal are considered. It is shown that a single Floquet-Bloch wave can be excited in a one-dimensional photonic crystal located between two homogeneous media. An exact solution of the wave equation corresponding to this case is represented in the form of a set of heterogeneous waves. For the case of incidence of the plane wave from a homogeneous medium on a bounded one-dimensional photonic crystal, the functions for the reflection and transmission coefficients are obtained based on the exact solution of the wave equation. It is shown that the transmission function for the one-dimensional photonic crystal has a form similar to that for the traditional Fabri-Perot interferometer and is determined by the interference of the Floquet-Bloch waves excited in the crystal. The evolution of the amplitude profile of the decaying Floquet-Bloch waves and the reflection spectrum of the bounded one-dimensional photonic crystal are considered in the first-order forbidden band.     

具有复介电常量二维光子晶体的特性研究

采用平面波展开法,通过数值模拟研究了具有复介电常量的二维光子晶体的能带结构和光传输特性,重点讨论介电常量的虚部为负值情形时对传输特性的影响。研究表明由于光子带隙的存在有效地抑制了频率位于带隙内光的自发辐射。当在介质中掺入具有增益特性的杂质时,即使两种介质的介电常量相差很小,在靠近光子带隙边缘,出现了较强的受激辐射放大。通常在带隙的边缘处,光子晶体的群速度较小,而激光阈值正比于群速度的平方,当群速度很小时,激光阈值将大大减小。这为实现零阈值激光器提供了基础,也为制作光放大微器件提供了一个有益的理论参考。