全硅光子晶体波导中二次谐波产生及影响因素

硅材料是半导体微细加工工艺中的常用材料,属于m3m对称点群,通常无法实现二次谐波产生,导致光子系统芯片中的非线性组件集成困难.提出一种在硅材料中可以实现二次谐波产生光子晶体波导结构.首先给出该波导结构的组成及其基本原理,然后讨论谐波产生的计算模型和计算方法,最后给出针对10.6 μm波长而设计的全硅二维光子晶体波导具体结构参数,以有限时域差分算法为基础,计算分析了谐波产生情况.研究结果表明:该结构利用光子晶体带隙边缘效应增强了硅材料的电四极极化强度从而实现二次谐波产生,在完全相位匹配条件下,当抽运波强度为1.3 MW/mm2时,转换效率为0.2%.最后,对影响谐波转换效率的因素进行了初步分析.     

平行光子晶体波导的传输特性及应用

采用时域有限差分法研究两平行光子晶体波导的传输特性及模场分布,利用耦合模理论计算光子晶体波导的耦合系数。计算结果表明,在不同的频率范围内两平行光子晶体波导之间表现出不同的耦合特性:在高频段(0.32~0.44)(ωa/2πc)的范围内两直波导表现出相互的能量交换,实现光耦合,耦合系数随入射波 频率增加而减小;而在低频段(0.29~0.32)(ωa/2πc)的范围内,两波导的传输谱图几乎重合。最后,提出一种采用固定波导耦合长度同时实现光分束及光均分器的方案,当耦合长度取34a时,可将频率为0.333 (ωa/2πc)和 0.357(ωa/2πc)的两入射波分束传播,同时将低频段中的任意频率波进行能量均分。     

基于光子轨道角动量的密码通信方案研究

设计了一个基于两个正交的光子轨道角动量态的量子密码通信方案.在该方案中,Alice使用具有独特设计的激光器,随机发送有确定轨道角动量的光子;Bob采用由两个达夫棱镜组成的光束旋转器,对光子的轨道角动量态进行测量.对系统安全性的讨论表明,Eve采用截获重发、攻击单臂等攻击手段,其窃听行为都会被发现.理论证明,该方案不需要通信双方实时监测和调整参考系,同时避免了BB84,B92协议因发送基和测量基不一致而丢弃一半信息的问题,从而提高了密钥生成效率. 关键词： 量子保密通信 轨道角动量     

二维光子晶体平行多波导的传输光谱研究

采用时域有限差分法研究二维光子晶体两平行直波导以及三平行直波导的传输特性。计算结果表明,两平行波导在不同的频率范围内表现出不同的耦合特性：在高频段两波导表现出相互的能量交换,实现光耦合,而在低频段传输谱图重合,各波导传输光强均为入射光强的二分之一;对于三波导系统,发现在不同的频率范围内主波导与两耦合波导之间也表现出不同的耦合特性：在高频段两耦合波导与主波导实现光耦合,而在低频段两耦合波导与主波导的传输谱图同步变化,耦合波导的传输光强均约为入射光强的四分之一。     

1×4光子晶体波导分束器的特性

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导,光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。我们设计了一种线缺陷1×4光子晶体分束器,并且用有限时域差分法研究了它的特性。研究表明,输出端的透射传输特性与入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入四个输出端口。为了减少1×4分束器在三个Y型分支区的反射,可以通过调节在分支区的可调介质柱的半径R,使每个输出端口具有很高的透射率。     

光子晶体波导的设计与特性

设计了Y型和回型二维光子晶体波导,基于时域有限差分法模拟了传输特性,并得出Y型结构对应的TE模、TM模的带隙结构。为此可以根据具体情况设计满足不同要求的波导结构。     

基于三角晶格光子晶体多模波导1×2分束器的优化设计

依据自映像原理,设计了一种基于三角晶格光子晶体多模波导的1×2分束器.采用时域有限差分法模拟了光波在分束器中的传播行为,并计算了分束器的传输效率.结果表明,仅仅通过改变多模波导与输出波导联结处的介质柱的位置对结构进行优化,便可大大提高分束器在工作点频率处的传输效率和带宽,其多模耦合区的长度可低至3.1 μm.因而本文所设计的分束器具有更小的器件尺寸和更高的传输效率,易于大规模集成的实现,在未来的集成光路中具有广泛的应用价值.     

基于1×4光子晶体波导分束器的特性研究

光子晶体波导分束器是集成光学电路的重要组成元件。设计一种线缺陷1×4光子晶体分束器,用时域有限差分法研究其特性。实验结果表明:输出端的透射传输特性随入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入4个输出端口。为了减少1×4分束器在3个Y型分支区的反射,通过调节分支区的可调介质柱的半径R,可使每个输出端口输出较高的透射率。     

1×4光子晶体波导分束器的特性

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导,光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。我们设计了一种线缺陷1×4光子晶体分束器,并且用有限时域差分法研究了它的特性。研究表明,输出端的透射传输特性与入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入四个输出端口。为了减少1×4分束器在三个Y型分支区的反射,可以通过调节在分支区的可调介质柱的半径R,使每个输出端口具有很高的透射率。     

光子晶体耦合波导实现光开关效应的研究

提出了一种基于光子晶体耦合波导实现光开关效应的方法:将线缺陷引入二维光子晶体以形成两平行的邻近波导,两邻近波导及其中间的两排介质柱构成了光开关模型耦合区;利用平面波展开法计算了不同介质填充率情况下的色散特性.结果发现:减小介质填充率可以实现波导耦合长度的减小;分段调整中间介质柱的填充率和选择不同的耦合搭配长度,定向耦合...     

平面光波导结构的FDTD分析

将各向异性理想匹配层(APML)吸收边界条件用于平面光波导结构的时域有限差分法(FDTD)分析中,导出了APML媒质中适用于角域和边缘的通用差分方程,并对平行介质带定向耦合器进行了数值模拟和验证,所得数值解与解析解非常一致.该方法可用于任意复杂结构的平面光波导的计算机辅助设计与分析.     

基于1×4光子晶体波导分束器的特性研究

光子晶体波导分柬器是集成光学电路的重要组成元件。设计一种线缺陷1×4光子晶体分束器,用时域有限差分法研究其特性。实验结果表明：输出端的透射传输特性随入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入4个输出端口。为了减少1×4分束器在3个Y型分支区的反射,通过调节分支区的可调介质柱的半径尺,可使每个输出端口输出较高的透射率。     

硅基纳米波导交叉相位调制不稳定性分析

在考虑线性损耗的情况下,对硅基纳米波导中皮秒脉冲传输交叉相位调制不稳定性进行了仿真研究。采用微扰和线性稳定性分析方法,理论推导了调制不稳定性产生所满足的色散关系和调制不稳定性增益谱表达式。分析了脉冲光功率、线性损耗和群速度色散系数等参量对交叉相位调制不稳定性的影响,并进行了仿真分析。结果表明,即使在微弱的入射光功率下,仍然存在强烈的交叉相位调制不稳定性现象;交叉相位调制不稳定性不仅可以在反常色散区出现,而且在正常色散区也会发生。波导的线性损耗对交叉相位调制不稳定性增益谱有明显影响。     

基于激光光束轨道角动量的8位数据信号产生与检测的实验研究

本文研究了利用激光光束的轨道角动量进行8位数据信息传输的技术. 建立了一套利用光束轨道角动量进行8位数据信息传输的系统, 在信息调制部分采用可选通控制的光源阵列和相位调制屏实现光束轨道角动量态的编码复用, 在信息解调部分采用二元振幅光栅进行轨道角动量态检测,实现了无误码的数据信息传输.     

喇叭型开口光子晶体波导的传输谱研究

设计一种喇叭型开口二维光子晶体波导,利用时域有限差分法计算波导传输谱图。模拟结果表明：通过改变开口处光子晶体椭圆点缺陷的结构,传输谱图中将出现相应变化的缺陷模,可用于实现频率可调的窄带光子晶体滤波器。     

一种硅基金属狭缝表面等离子体波导的设计

设计了一种适用于光电子集成电路的表面等离子体波导结构.利用三维全矢量时域有限差分法对该波导结构进行了数值模拟,并分析了其在基模传输时的模式场分布与金属结构顶角的关系以及其能量限制性.研究了该波导结构在不同金属材料下的有效折射率和传播长度对芯层宽度的依赖关系,讨论了两个该波导结构之间的耦合长度、最大转移功率和彼此间的串扰.结果表明:光场被高度限制在芯层区域,在金属结构顶角为135°时,其能量限制因子更高;在金属材料确定的情况下,有效折射率随芯层宽度增大而减小,而传播长度增大;在芯层宽度一定的条件下,两个波导结构间的耦合长度随波导间距增大而增大,最大转移功率和串扰随波导间距增大而减小.     

扭转对称光束的产生及其变换过程中的轨道角动量传递

研究了采用扭转柱面镜光学系统将厄米-高斯光束变换成为具有轨道角动量的拉盖尔-高斯扭转对称光束. 采用本征模式分解的方法分析了扭转柱面镜光学变换系统实现光束变换的原理.利用光束传输矩阵和二阶矩理论分析计算了光束经过扭转柱面透镜变换过程中的轨道角动量传递过程，证明光束与透镜系统的轨道角动量交换发生在第一个柱面透镜处，光束经过第一个柱面透镜后，具有的轨道角动量保持不变. 关键词： 轨道角动量 光束变换 扭转对称光束 轨道角动量传递     

基于超宽带反射超表面产生太赫兹轨道角动量

由于轨道角动量（orbital angular momentum,OAM）有望成为新的通信复用自由度,在拓展信道容量、提高频谱资源利用率方面有巨大潜力而受到越来越多研究人员的关注。目前的太赫兹涡旋波产生器件存在只能工作在单频点、带宽窄、转换效率低等问题,如何在太赫兹频段高效产生OAM成为关键问题之一。该文设计了一种超宽带反射超表面单元,结合几何相位原理和相位叠加原理设计了单层反射超表面。仿真结果表明：设计的超表面实现了在0.82 THz～2.09 THz（相对带宽87.3%）的宽频范围内,将圆极化太赫兹波转换为携带轨道角动量的太赫兹涡旋波,同极化反射谱的幅度大于0.97,转换效率高于94.7%,反射相位覆盖0°～360°。利用傅里叶变换分解反射场中各个OAM模式,定量分析了OAM模式纯度,在不同频率下涡旋波中均为主模式l=-2能量占比最高,进一步对设计的超表面进行优化,主模式能量占比明显提升。该文设计的超表面具有转换效率高、工作带宽大、主模式强度高等优势,为宽带太赫兹涡旋波的高效产生提供了一种参考。     

用级联缓变结构实现光子晶体波导和传统波导的耦合

为了提高光子晶体波导与传统介质波导的耦合效率,设计了级联缓变结构.先将传统介质波导中的光耦合进尺寸相当的光子晶体W5波导中,然后W5波导中的光被耦合进尺寸较小些的W3波导中,最后光被耦合进尺寸最小的W1波导.各级波导之间由半径逐渐增大的空气孔连接,空气孔半径逐渐变化相当于波导有效折射率在变化,所以各级波导可以看作是被折射率缓变结构连接起来.由于折射率的缓变,使得光从前一级波导耦合进相邻的后一级波导时反射很小,从而能有效地提高耦合效率.数值计算表明,在光子晶体禁带范围内,除了波导有限长度和波导微小禁带造成的微小不通带外,耦合系数一般能达80%左右,最高可达到95%.