光子晶体偏振分光镜的优化设计

提出了一种二维光子晶体偏振分光镜的设计方法,介绍了光栅基板上用Ge/BaF₂ 多层膜实现二维光子晶体偏振分光镜的优化设计.结果表明，TE模式的光子禁带宽度为0083(2πc/a, a是光栅的周期),设计的偏振波长从172μm到24μm，相对带宽为331％.此光子晶体偏振器件制作简单,具有实用性. 关键词： 偏振分光镜 光子晶体 光子禁带     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

二维光子晶体分束器的分频效率分析

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.设计了一种二维光子晶体三通道分束器,采用时域有限差分方法(FDTD),从理论上计算该器件3个通道电磁波的透射率.为了提高电磁波的透射率,通过在波导附近调节介质柱半径,引入两组点缺陷.结果表明,两组点缺陷的介质柱半径选择合适的值,在3个通道中可以得到最佳的电磁波透射率...     

二维光子晶体六通道波分复用器的透射谱

设计了一种由微米尺度二维光子晶体构成的六通道波分复用系统。该系统包括利用光子晶体线缺陷实现的波导部分和利用光子晶体微腔实现的频率选择部分。采用时域有限差分方法（FDTD）,研究光在该系统中的传输特性。     

大带隙的二维各向异性椭圆介质柱光子晶体

用平面波展开方法及时域有限差分法计算了各向异性介质材料碲形成的椭圆柱光子晶体的带隙结构.计算表明,选取适当的椭圆长短轴以及晶格常数可以形成约0.051ωe(ωe=2πcLy,Ly为沿长轴的晶格常数)的大带隙,而且在高能区域也出现了一个小的禁带.分析表明,该光子晶体大禁带对工艺上可能引起的轴长及晶格常数的偏离具有很好的稳定性. 关键词： 光子晶体 各向异性 平面波展开方法 时域有限差分法     

二维三角格子光子晶体的带隙结构

用平面波展开法对二维光子晶体的电磁波理论及周期排列的电介质中电磁波的Bloch波解进行了详细的推导,计算出以GaAs为背景的空气柱构成的二维三角格子光子晶体的能带结构,研究了H偏振和E偏振带隙宽度随填充比f的变化.计算结果表明,当f=0.8时,H偏振和E偏振出现重叠的最大绝对光子带隙,带隙位于0.458-0.529ωe(ωe=2πc/a,a为晶格常数,c为光速),带隙宽度为0.071ωe,相应的带隙波长范围为472.6-545.9nm,处于可见光波段.     

二维圆柱形光子晶体的完全禁带研究

用平面波展开法研究了二维圆柱形光子晶体的完全禁带与填充比、介电常数比之间的关系. 研究发现,并非介电常数比越大,完全禁带宽度就越大,而是有一个峰值. 关键词： 二维光子晶体 完全禁带 平面波展开法     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

电磁波在周期介质中的传播及二维光子晶体的光子带结构

光子晶体是光学与凝聚态物理交叉的新领域,也是近年来应用物理学的一个重要研究领域,它是一种由介电常数高的(低的)介质在另一种介电常数低的(高的)背景介质中周期排列所组成的人造多维周期结构材料,能够产生光子带隙。频率落在带隙内的光在晶体里沿任何方向都不能传播,因而具有能够抑制原子、分子的自发辐射等诱人的光电子学特性,在基础研究和实际应用上都有着巨大的潜力。本文在这一领域里进行了富有成效的研究,获得了很好的结果。主要有:(1)利用平面波展开方法来计算二维光子晶体的带隙结构。首先,我们设计正方晶胞的二维光子晶体模型。设x₃方向为介质柱的轴方向,二维周期结构在x₁-x₂平面上。晶胞的晶格常数为a,半径为r,介质柱和空气柱的介电常数分别为ε_a=17和ε_b=1,a>2r。设计的核心思想是通过降低光子晶体结构的对称性,消除光子能带在晶体的布里渊区高对称点上的本征简并。(2)对于二维光子晶体的电磁波理论及周期介质中的Bloch波解做了详细的推导,给出了光子晶体中禁带存在的理论依据。同时以正方格子晶格的二维光子晶体为例,验证了电介质在空气圆孔中的排列存在E偏振和H偏振的光子带隙重叠区,称为绝对光子带隙。对于二维的光子晶体,两种本征偏振模式的光子能带结构可以独立地调节,以实现两者的光子带隙的最优重叠, 从而大大提高了二维光子晶体的完全带隙宽度。     

二维色散和各向异性磁化等离子体光子晶体色散特性研究

采用平面波展开法和时域有限差分法研究了二维色散和各向异性磁化等离子体光子晶体的色散特性.当波矢在周期平面时,由于外加磁场的作用使TE模的色散曲线出现两个不同区域的平带,改变磁场的大小不但可以控制平带的位置,而且可以控制光子带隙的位置和大小.增大背景材料的介电常数,可以形成全方向光子带隙,随着背景材料介电常数的增加,带隙的中心位置降低但带隙宽度增加.当波矢偏离周期平面时,色散曲线不再分为TE和TM模,随着非周期平面波矢的增加,带隙位置上移,带隙宽度先增加随后基本保持不变.     

全玻璃实心保偏光子晶体光纤的研制

设计并采用棒管法结合毛细管堆积技术制备了一种全玻璃材料的实心保偏光子晶体光纤,光纤端面测试结果表明,这种结构设计有效克服了传统光子晶体光纤制造过程中空气孔易于塌陷的困难,光纤微结构保持良好.采用剪断法测得在1550nm波长下光纤的传输损耗为6.84dB/m.测试了输出光的偏振度,结果表明该光纤具有较好的保偏特性,说明采用此方法研制具有高保偏性能且制作工艺简单的光子晶体光纤是可行的.     

缺陷对二维四方光子晶体透射光谱的影响

利用转移矩阵法研究了二维四方光子晶体中缺陷对透射光谱的影响。结果表明缺陷对TE波的影响比对TM波的影响明显,缺陷层填充比对禁带宽度影响很大,TE波禁带在填充比r/a=0.33时最宽,第一禁带的最低频率随着填充比的增加向低频移动。     

液晶填充碲酸盐光子晶体光纤偏振旋转器

提出一种液晶填充碲酸盐玻璃的柚子型光子晶体光纤偏振旋转器,利用全矢量有限元法,对液晶填充碲酸盐玻璃的柚子型光子晶体光纤的偏振旋转特性进行数值模拟,并分析了光纤结构参数、环境温度、工作波长等对光纤偏振旋转特性的影响.研究结果表明:此种偏振旋转器具有较高的旋转效率、较低的工作串扰和较短的旋转长度,在工作波长为1.55μm、偏振角度为45°时,其值分别达到99.947%、-32.84dB和197μm;另外,随着光纤薄壁厚度的增加,旋转长度随之升高,随着工作波长的变大,旋转长度随之降低,随着温度的增加,旋转长度随之升高.这种新型的光子晶体光纤为偏振旋转器的研发提供了参考.     

一种具有大带隙的各向异性二维光子晶体结构

提出一种新型各向异性材料(碲)二维光子晶体结构,应用有限时域差分法,对该结构特性进行数值分析,结果表明:通过优化结构参量,该结构具有较大的绝对光子禁带,禁带宽度为0.064ω_e(ω_e=2πc/a,a为晶格常量,c为光速),且该光子晶体的带隙具有很好的稳定性.     

Investigation of Infrared Photonic Crystal Slab with Defect Waveguides

This paper deals with the two dimensional (2-D) infrared photonic crystal slab with an air-bridge structure featuring defect waveguides in which the optical propagation properties were obtained by measurements of transmission spectra. 3-D finite-difference time-domain (FDTD) simulations have revealed the appearance of four defect propagation modes for the band structure and transmission spectra in the air-bridge slab. These defect modes were experimentally identified in the measured transmission spectra.     

光子晶体多通道可调谐偏振滤波器的理论研究

通过对设计的一维掺杂光子晶体的数值计算和理论分析,得出了两个偏振态缺陷模透射峰的变化特征为:P-偏振波其缺陷模透射峰在入射角大于0.75(rad)范围内有多条明显的缺陷模透射峰带,而S-偏振波在入射角大于0.75 (rad) 范围内没有缺陷模透射峰;P-偏振波缺陷模在同一杂质光学厚度可以截到多个波长不同的透射峰.以此为基础设计出滤波通道波长可调范围大于60 nm 、滤波通道的半高宽可调范围在1~5 nm、滤波通道透射峰值大于0.98的一维光子晶体三通道可调谐偏振滤波器.     

一种高双折射光子晶体光纤模场和偏振特性的研究

采用平面波展开法分析一种填入了聚甲基丙稀酸甲酯并引入大空气孔的高双折射光子晶体光纤的模场和偏振特性,并研究其结构参数变化对偏振特性的影响。研究表明这种高双折射光纤的基模模场具有较强的线偏振特性,模式双折射比普通光子晶体保偏光纤有较大提高。研究结果为光子晶体保偏光纤的开发制作提供了理论基础。     

紫外区全角度光子晶体反射镜

根据角域叠加原理,在石英玻璃基板上用全介质膜系实现了紫外区域全角度一维光子晶体反射镜的设计。采用两个不存在全角度反射带的一维光子晶体在角域上叠加,通过传输矩阵方法,从理论上计算合成光子存在全角度禁带,禁带波长范围328．95～352．11nm,相对带宽为6．80％。实验上采用HfO2和SiO2两种薄膜材料,用电子束蒸发的方法在石英玻璃基板上制备合成光子晶体。若透射率在1％以下为光子晶体禁带,则禁带波长范围从331．2～350．4nm,相对带宽5．63％。从而证明了角域叠加设计的正确性。     

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.     

各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

为了研究一维各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时的透射率,在透射波中发现了TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带.得出了与一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的不同点,即TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带的频率中心和频率宽度存在着较大的差异,利用这个特性可以将两种偏振光进行频率分离,为设计优质偏振滤波器提供理论依据.