一维光子晶体微腔在硅基材料发光中的应用研究

硅基材料的高效发光对未来硅基光电子集成的发展极其关键,含微腔的一维光子晶体可以显著提高其发光强度、窄化其发光峰.介绍了几种硅基材料发光的一维光子晶体微腔结构,包括单缺陷模式的对称与非对称结构、多缺陷模结构及电注入结构.利用传输矩阵法计算其缺陷模透射谱,以间接分析其发光谱.     

含色散介质的一维光子晶体微腔的透射谱

研究了含色散介质的一维光子晶体微腔的透射谱,对色散介质采用Lorentz振子模型,腔模的频率设置在光子晶体带隙中心。发现当吸收可以忽略时,色散效应将导致在腔模附近有很高的态密度,与此相应地在透射谱中出现一个较宽的透射带。当吸收存在时透射带中心的透射峰消失,但带尾的透射峰依然存在。     

串联光子晶体磁控滤波偏光器

为了研究基于旋磁材料的一维光子晶体一正一斜地放置串联结构的传输属性,利用适合旋磁材料一维层状结构的传输矩阵计算公式,计算了串联结构的透射谱。在对结构施加相同方向的外磁场时,得到窄带透射峰,实现了滤波功能。改变右侧光子晶体磁场方向,从左侧光子晶体入射的光束将在右侧斜放的光子晶体表面产生全反射,光束方向偏转90°。通过磁场方向的调制实现了器件的滤波和偏光双功能。     

一维边发射有机半导体光子晶体激光器设计

基于有机共轭聚合物聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)的脊形波导,利用光子晶体特殊的光调制特性,模拟设计了一维边发射有机光子晶体激光器。利用光子晶体的带隙结构和带边效应构建了由光子晶体全反镜和透反镜形成的谐振腔,在谐振腔内的脊形波导上引入一维缺陷型光子晶体,利用光子晶体缺陷模特性抑制了多纵模竞争,并在此基础上分析了复合结构所导致的边界模效应,得出此类非金属微腔激光器腔长设计的经验公式。模拟结果表明该一维边发射有机光子晶体激光器可实现中心波长为588nm、半峰全宽为0.131nm的单纵模激光输出。     

基于一维光子晶体超晶格的多通道平顶透射特性

基于一维光子晶体超晶格理论及耦合腔理论,提出了一种具有多个平顶透射峰的超晶格结构.把传统单一材料的耦合腔换成有限周期的光子晶体结构,形成一种超晶格结构.通过使插入的光子晶体的光场有效耦合,能够产生多个平顶透射峰.运用传输矩阵法,研究了该结构的光谱特性以及结构和材料参量对透射峰的位置和半峰全宽的影响.计算结果表明,该结构具有较宽的带隙,并且多个平顶透射峰对称分布,透射率高,误差容忍度好.详细讨论了透射峰确切位置的计算方法,并给出了严格的解析表达式.     

基于一维光子晶体超晶格的多通道平顶透射特性

基于一维光子晶体超晶格理论及耦合腔理论,提出了一种具有多个平顶透射峰的超晶格结构.把传统单一材料的耦合腔换成有限周期的光子晶体结构,形成一种超晶格结构.通过使插入的光子晶体的光场有效耦合,能够产生多个平顶透射峰.运用传输矩阵法,研究了该结构的光谱特性以及结构和材料参量对透射峰的位置和半峰全宽的影响.计算结果表明,该结构具有较宽的带隙,并且多个平顶透射峰对称分布,透射率高,误差容忍度好.详细讨论了透射峰确切位置的计算方法,并给出了严格的解析表达式.     

一维三元异质结构光子晶体反射特性

利用传输矩阵法对一维三元光子晶体异质结构的光学特性进行了研究,讨论了介质层厚无序度对三元结构光子禁带的影响.研究表明,将具有相互交叠光子禁带的一维光子晶体叠加构成异质结,可以有效地增大全角度反射的频率范围,当入射角从0°增大到89°,该结构均可实现从0.410 w/w0到0.654 w/w0宽频波段的全反射;相对于二元结构,三元结构可以减小在实际制作过程中随机误差引起的介质层厚无序对光子带隙的影响.该研究结果可为实现可见光及红外光波段大角度反射器的制备及应用提供理论支持.     

含各向异性左手材料一维光子晶体的传输特性分析

采用光学传输矩阵方法,研究了由各向异性左、右手材料交替排列构成的一维人工周期结构的带隙结构和传输特性,讨论了反射率随入射角度的变化关系。结果表明,含各向异性左手材料的光子晶体比传统的光子晶体有更宽的禁带;含各向异性左手材料的一维光予晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对某一低频波段的全方位反射;通过适当选取左手材料的参数,禁带中会出现狭窄的透射峰。     

紫外线波段一维Ag/MgF_2光子特性的理论研究

利用传输矩阵方法对一维Ag/MgF2光子晶体的带隙特性进行了研究。构建了由Ag和MgF2组成的一维光子晶体结构模型,以此模型为基础详细讨论了填充比、周期层数、入射角等参数对光子晶体带隙结构的影响,并讨论了造成吸收的原因。研究结果表明,与其他金属光子晶体的研究结果相比,该结构的金属光子晶体在紫外线波段具有高反射率的光子带隙,属于不完全带隙的一维光子晶体,适用于制作紫外线波段的光学反射镜。     

金属插层对一维光子晶体中光传输特性的影响

利用传输矩阵方法,从理论上研究了金属插层对由SiSiO2组成的一维光子晶体中光传输特性的影响.结果表明:由(SiSiO2)n组成的一维光子晶体,考虑到材料的实际吸收及折射率随波长发生变化的情况,当n≥9时,该体系出现全反射带(光子带隙),在(SiSiO2)n光子晶体中的SiO2层的中间插入金属银层,构成(SiSiO2AgSiO2)n金属型一维光子晶体,光子带隙的宽度明显加宽,且在该带隙中s光和p光在0—60°入射角下均具有较低损耗,利用这一特性,可以制作出宽带反射镜 关键词： 光子晶体 金属层 传输矩阵     

A photonic crystal biosensor with temperature dependency investigation of micro-cavity resonator

A two dimensional photonic crystal biosensor implemented by waveguides and microcavity is theoretically investigated. The designed structure has high quality factor about 15,000 and sensitivity approximately 141.67 nm/RIU, which are important parameters in biosensing applications. Also there is a linear dependency between resonant wavelength shift and refractive index changes. Since water is the main component of human organism, the temperature and wavelength dependence of proposed microcavity is investigated. The results show that the structure has good temperature stability. The temperature sensitivity is about −0.0142 nm/°C.     

二维三角晶格光子晶体波导的出射光集束传播

为了解决光子晶体波导出射端光场控制, 同时解决二维三角晶格光子晶体波导出射光辐射困难的问题。利用二维三角晶格光子晶体设计了一种新型光子晶体波导出射口结构。在二维三角晶格光子晶体波导出射端引入两个微腔, 通过光波与微腔发生共振, 形成类似于三个点光源干涉的出射光, 同时进一步提出波导出射端喇叭口干涉出射光定向辐射的设计。通过这种微腔喇叭口设计, 利用时域有限差分法分析结果表明光波实现很好的定向辐射, 并且辐射距离显著提高。     

Electrically injected quantum-dot photonic crystal microcavity light sources

The design, fabrication, and characterization of an electrically injected quantum-dot photonic crystal microcavity light source are described. The optical gain in the GaAs/AlGaAs-based device is provided by self-organized InGaAs quantum dots with ground-state room-temperature emission at 1.1 microm. The carriers are injected directly into the photonic crystal microcavity, which contains approximately 50 dots, avoiding surface state recombination in the photonic crystal pattern. The spectral characteristics of a single-defect photonic crystal microcavity show a single 2 nm broad microcavity resonance. The output power is of the order of a few tens of nanowatts.     

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.     

Fabrication of Two-Dimensional Organic Photonic Crystal Microcavity

A two-dimensional polystyrene photonic crystal microcavity is fabricated by the method ot tocused ion Oeam etching. The scanning electron microscopy and the transmittance spectrum are used to characterize the properties of the photonic crystal microcavity. The quality factor and the transmittance of the photonic crystal microcavity is more than 530 and 90%, respectively. The measured results are in agreement with the theoretical predictions.     

Engineering photonic density of states using metamaterials

The photonic density of states (PDOS), like its electronic counterpart, is one of the key physical quantities governing a variety of phenomena and hence PDOS manipulation is the route to new photonic devices. The PDOS is conventionally altered by exploiting the resonance within a device such as a microcavity or a bandgap structure like a photonic crystal. Here we show that nanostructured metamaterials with hyperbolic dispersion can dramatically enhance the photonic density of states paving the way for metamaterial-based PDOS engineering.     

Bloch oscillations in one-dimensional photonic crystal coupled microcavity composed of single-negative materials

We have studied the propagation properties of electromagnetic waves in one-dimensional photonic crystal coupled microcavity structure composed of single-negative materials. Two Wannier-Stark ladders can be obtained by employing only one type of microcavity. The dynamics behavior of a Gaussian pulse transmitting through the structure is simulated theoretically. We demonstrated for the first time that even in this multilayered structure completely made of single-negative materials, the optical Bloch oscillations and Zener tunneling can also be attained.     

Demonstration of tunable complex refractive index of graphene covered one dimensional photonic crystals

Here, we report tunable complex optical properties of one dimensional photonic crystal covered by graphene layer, as a new optical material, in the visible spectral range. For this purpose, we fabricate two different structure as one dimensional photonic crystal, with photonic band gap which centered at 650 nm, by electron gun deposition method and the chemical vapor deposition has been used to synthesize graphene top layer. To demonstrate the optical properties of our two photonic crystals affected by graphene layer, we use the reflectance spectra of the samples as a function of incidence angle. Because the sufficient sensitivity of the refractive indices of the samples, we extract the real and imaginary part of these parameters in all of visible region as a tunable complex refractive index. Our results show that we have sufficient change due to excited plasmons in graphene layer by Bloch wave of photonic crystal which is very useful for sensor applications.     

优化电激励光子晶体单缺陷激光腔结构

设计和制作电激励光子晶体微腔激光器的一个困难是电流的注入问题,而且电流的路径时常会导致微腔的Q值降低。将三维并行时域有限差分方法用于电激励光子晶体单缺陷激光腔研究,给出了微腔的本征模式分布。根据模式特点,选择单极子模式作为研究对象。数值模拟表明,在保持C_(6v)对称性条件前提下,微调最靠近微腔中心的6个空气孔的位置使得单极子模式的光场分布在腔边缘发生缓慢变化可以将单极子模的Q值和Purcell因子提高大约7倍。即激光器阈值可以降低7倍。