一维光子晶体微谐振腔的调谐特性与品质因子

利用传输矩阵法研究了对称结构和非对称结构一维光子晶体微谐振腔的调谐特性和品质因子.研究发现:当缺陷层光学厚度增加时,缺陷模中心波长也会随着增加即向长波方向移动,微谐振腔的调谐特性与缺陷层两边介质的折射率有关;相比于对称结构,非对称结构能在较小的缺陷层光学厚度变化范围内实现较大波长范围的线性调谐;品质因子随缺陷层厚度的增加先增大后减小,在缺陷模中心波长为λ0时可达最大值;高低折射率介质层的排布对微谐振腔品质因子有影响.     

光子晶体光纤长周期光栅的谐振波长特性研究

 利用有限差分法和耦合模理论分析了光子晶体光纤结构参数等因素对光栅周期调节长周期光栅谐振波长作用的影响,结果表明：对于同种光纤,可通过增大或减小光栅周期来减小或增大谐振波长;若占空比f增大或减小,可通过减小或增大光栅周期来保持谐振波长不变;若比例系数M增大或减小,可以成正比增大或减小光栅周期来保持谐振波长不变;在只是空气孔层数增加的系列光纤中,在长波处,为取得同一谐振波长,光栅周期需要增大数个μm,但在短波处则正好相反;内层气孔对光栅周期调节谐振波长的作用影响较大,而第5层以外各层的影响十分微弱。综合利用这些规律,可以快捷地选择合适的光栅周期,高效率地制备有合适谐振波长的光子晶体光纤长周期光栅。     

一维光子晶体微谐振腔的调谐特性与品质因子

利用传输矩阵法研究了对称结构和非对称结构一维光子晶体微谐振腔的调谐特性和品质因子.研究发现：当缺陷层光学厚度增加时,缺陷模中心波长也会随着增加即向长波方向移动,微谐振腔的调谐特性与缺陷层两边介质的折射率有关；相比于对称结构,非对称结构能在较小的缺陷层光学厚度变化范围内实现较大波长范围的线性调谐；品质因子随缺陷层厚度的增加先增大后减小,在缺陷模中心波长为λ0时可达最大值；高低折射率介质层的排布对微谐振腔品质因子有影响.     

一种新型光子晶体双色谐振腔

提出一种新型的光子晶体双色谐振腔,以光学传输矩阵法为基础给出了设计的关键参量及其优化方法,并分析了其物理原理.根据常用的650nm/780nm,532nm/671nm,1079nm/1320nm和1 064 nm/1 319 nm等双色激光谱线,设计了4个光子晶体双色谐振腔结构.这种一维光子晶体谐振腔只需要一个谐振腔,缺陷层两侧周期数为5层时,该腔体总厚度小于5 μm,可获品质因子为103~104,相对带宽为10－4~10－5的双色谱线,且模式纯净,基于基模谐振.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的,腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达106,模体积仅为0.02(λ/n)3.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的.腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达10⁶,模体积仅为0.02(λ/n)³.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

并联谐振腔光子晶体单通道侧面耦合波导

分析了多光子晶体谐振腔的并联耦合模理论,并根据该理论设计了单通道光子晶体侧面耦合波导以实现光子晶体器件与光源间的高效耦合。理论研究表明并联谐振腔的耦合效率与谐振腔数量、间距以及品质因子相关。经优化耦合面积和耦合效率,最终选择了5个谐振腔并联作为单通道侧面耦合波导的耦合部分。通过设置谐振腔间距改变其对称性,从而实现侧面耦合波导的单通道传播。在1.55μm工作波长下,单通道侧面耦合波导的耦合效率可达94.49%。     

半无限周期光子晶体全反射隧穿效应的共振机理

建立了一维半无限周期光子晶体的谐振腔模型.利用谐振腔的共振条件推导出全反射隧穿导带波长满足的解析公式,从理论上解释了一维半无限周期光子晶体的全反射隧穿效应产生的物理机理.利用波长的解析公式对全反射隧穿导带的波长随导带级数、腔光学厚度以及入射角的变化规律进行了研究,解释了一维半无限周期光子晶体的全反射隧穿效应的变化规律.将共振理论的结果与色散法的结果进行比较,其结果吻合.     

半无限周期光子晶体全反射隧穿效应的共振机理

建立了一维半无限周期光子晶体的谐振腔模型.利用谐振腔的共振条件推导出全反射隧穿导带波长满足的解析公式,从理论上解释了一维半无限周期光子晶体的全反射隧穿效应产生的物理机理.利用波长的解析公式对全反射隧穿导带的波长随导带级数、腔光学厚度以及入射角的变化规律进行了研究,解释了一维半无限周期光子晶体的全反射隧穿效应的变化规律.将共振理论的结果与色散法的结果进行比较,其结果吻合.     

平板型光子晶体谐振腔性能分析

介绍了一种平板型光子晶体微谐振腔的结构.利用三维时域有限差分法(FDTD)分析了平板型光子晶体的结构参量及其对谐振腔性能的影响.平板型光子晶体微腔具有较小的模式体积和较大的品质因子(Q),可以有效的使光子局域化.该谐振腔可以用来制造单频发光二极管和零阈值微腔激光发射器.     

一维光子晶体的缺陷模特性研究

利用传输矩阵法研究了缺陷层有吸收的一维光子晶体的带隙结构，在中心波长附近利用泰勒展开式的一级近似得到了缺陷模的高度和半峰全宽的计算公式.研究发现，消光系数、介质周期数和缺陷层厚度对缺陷模高度的影响较大，它们的增大均使缺陷模高度快速下降;而对半峰全宽的影响主要取决于介质的周期数，随周期数的增大缺陷模快速变窄.     

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。     

实现全反射镜功能的光子晶体禁带特性

用传输矩阵法研究一维光子晶体G(AB)mC(AB)mH的能带特性及电场分布,结果发现:随着m的增大,在830—883nm波长范围内,光子晶体G(AB)mC(AB)mH禁带中的导带透射率逐渐趋于零,即光被禁止通过,实现全反射镜功能,且随着入射角的增大,光子晶体的禁带逐渐向短波方向移动。随着介质层G、H的折射率增大,光子晶体在833.6—879.1nm波长范围内出现大的禁带,亦实现全反射镜功能。光子晶体G(AB)5C(AB)5H内部存在很强的局域电场,即在光子晶体内传输的光,被强烈局域在禁带范围内,并在缺陷层C处达到极大值,而且随着m的增大,局域强度增强。这些光学传输特性,为研究、设计新型光学器件全反射镜、滤波器等提供指导。     

一维光子晶体缺陷模激光器的放大特性

光子晶体中引入缺陷后将形成缺陷模,这些缺陷模在增益介质中将被放大形成激光。基于麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型,用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了一维单缺陷光子晶体激光器中缺陷模的空间分布和频谱特性,以及这些缺陷模的放大特性,主要研究了缺陷层的厚度、晶体层数对缺陷模放大特性的影响。模拟结果显示,类似于传统激光腔的腔模,这些缺陷模能够被放大,形成激光。调整缺陷层的厚度、晶体层数等结构参量,将改变缺陷模的谐振,激射频率以及空间分布,这将直接影响激射阈值和饱和特性。增加晶体的层数,激光器的阈值将降低,饱和值将增加,但晶体层数增加到一定限度时,这种增减趋势变弱。模拟结果证明了有效层数的存在。     

光子晶体缺陷模的带宽与品质因子研究

利用光学传输矩阵法研究了结构参量对缺陷态光子晶体的缺陷模带宽和品质因子的影响.研究发现,当缺陷介质层厚度h₀的值较小时,缺陷模的带宽很小且基本保持不变;当h₀较大时,缺陷模的带宽随h₀的增加而快速增加.另外发现,缺陷模的品质因子在某个h₀处取最大值.但是总体上看,h₀较小时的品质因子要远大于h₀较大时的品质因子.此外,缺陷模的品质因子随光子晶体的周期数增加而急剧增加约4.788倍,而带宽则随周期数的增加而急剧减少约4.788倍.当周期数为13时就可以获得10⁹以上的品质因子值和小于10^-9的相对带宽值.     

基于一维光子晶体微腔的全吸收器件

将具有高本征吸收的极化材料SiC引入到一维光子晶体中间,形成一维光子晶体微腔。利用传输矩阵方法,研究了这种含SiC材料的一维光子晶体微腔的光学特性:包括透射率、反射率和吸收率。研究结果表明该结构在波长λ=12.6μm处存在一个全吸收峰,该吸收峰在0°～50°的入射角度范围内不随角度和偏振模式的影响。该结构可以用来制作宽角度窄带全吸收器件,有望在热发射、太阳能光伏电池中得到应用。     

An acoustic model for microresonator in on-beam quartz-enhanced photoacoustic spectroscopy

The effect of air impurity layer on the reflection spectrum of one-dimensional holographic photonic crystals was investigated in two forms. One form is the band-edge oscillation phenomenon when the air impurity layer is near the surface of the structure; the other form is the defect mode appearing in the band gap when the air impurity layer is near the center of the structure. For the defect mode, its central wavelength will nonlinearly change with some repeatability with the defect size, not as the result of the step-index photonic crystal. Moreover, the depth of the defect mode in the band gap can be modulated by the intensity ratio of the two construction beams. And the reflectance at the central wavelength of the defect mode can be almost zero with appropriate optical intensity ratio. The corresponding experimental results were also demonstrated.     

Surface wave effect on light scattering from one-dimensional photonic crystals

Light scattering and reflection measurements using attenuated total reflection technique for s polarization of the incident light on a finite one-dimensional photonic crystal are reported. Angular specular reflection was measured experimentally to determine, the optimum thickness, the angular position of the surface mode, and the number of bi-layers of the system. It was demonstrated that the position of the surface mode inside the last film is close to the asymptotic value when the number of periods is increased. Spectral reflection measurements were made to determine experimentally the band gap width and measure the dispersion relation of the surface mode inside this band. The corresponding field amplitude was calculated (∣E∣²) showing that in resonant conditions it has a maximum near the surface. The angular dependence of the scattered light measured displays a peak caused by singles cattering and located approximately at the excitation angle of the surface electromagnetic mode. When the incident light is in resonance with the surface electromagnetic wave, it is found experimentally that the scattering of light is enhanced overall by approximately one order of magnitude in comparison with the off-resonance case.     

高双折射光子晶体光纤中均匀布拉格光栅的特性

研究了具有高双折射的光子晶体光纤(HB PCF)中均匀布拉格光栅(FBG)的光谱特性。利用紧凑的超格子模型,对光子晶体光纤的传输特性进行分析,研究正向传输和反向传输的模式之间的耦合规律,从而研究写入光子晶体光纤中的均匀布拉格光栅的特性。首先给出具有C6v对称性的零双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的布拉格波长λB随光纤结构参量的变化规律;然后分析一种高双折射光子晶体光纤中的光纤布拉格光栅的光谱特性,高双折射使两个不同偏振态的反射峰分开较大;最后分析了一种常用的双模双折射光子晶体光纤中光纤布拉格光栅的光谱特性,LP01模和LPe11模的两个偏振态对应的反射谱都由于高双折射而分开。