二维光子晶体分频特性效率分析

采用FDTD方法分析了二维光子晶体的分频特性，在二维光子晶体内引入线缺陷后形成波导，在波导附近引入点缺陷可将能在波导中传播的某些特定频率的电磁波分离出去；特定频率取决于点缺陷的性质；设计了一种多个相同性质的点缺陷与波导耦合的分频模型，计算结果表明，这种模型的分频效率明显高于单个点缺陷与波导耦合的模型，为制作光子晶体分频器件提供了理论依据。     

二维六方柱光子晶体特性研究

通过平面波展开法对二维六方介质柱（空气孔）光子晶体带隙理论进行了分析,仿真发现带隙的变化与晶格常数的具体取值无关,而只与其填充比有关。三角晶格的这种光子晶体的带隙特性最好,并对空气孔之间产生交叠情况下的带隙特性进行了分析说明。随着介质柱（空气孔）与背景折射率差值的增大,光子晶体的带隙会逐渐变宽,而且带隙的位置也会向低频移动。用FDTD法对四方晶格的二维六方柱光子晶体波导透射特性进行了仿真,仿真结果表明其与波导的带隙结果吻合。     

非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性研究

用时域有限差分法（Finite-Different Time-Domain,FDTD）中的电流密度卷积（Current Density Convolution,JEC）算法讨论了一维非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性,分析了非磁化等离子光子晶体的周期结构和等离子体参量对其禁带周期的影响.以微分高斯脉冲为激励源,用电磁波通过非磁化等离子体光子晶体后所得的透射系数来讨论非磁化等离子体光子晶体的禁带周期特性.结果表明,通过改变参量可以获得不同的禁带周期特性.     

二维光子晶体缺陷模特性研究

用时域有限差分法计算了二维光子晶体的带隙和缺陷模,结果表明:在缺陷中心位置其强度达到最大值,离缺陷中心越远,强度越小.比较了方形介质柱与圆形介质柱光子晶体缺陷模:圆形缺陷缺陷模衰减的特征长度较小,但其缺陷模的品质因数较大.缺陷模的中心频率随缺陷介电常数的增大而变小,并近似成线性关系.     

光子晶体共振现象研究

完整二维光子晶体中引入点缺陷后，在光子晶体禁带中会有共振模出现；将时域有限差分方法(FDTD)用于光子晶体共振特性研究中，给出共振频率的位置，直观地给出共振现象发生的过程。     

二维三角晶格光子晶体波导的辐射特性

利用二维三角晶格光子晶体,设计了一种能够提高波导辐射效率的光子晶体结构。通过在单波导出口端级联一耦合波导列的方式形成一种复合式结构,利用时域有限差分法研究了该结构的光辐射特性。结果表明,采用级联波导列的结构能有效提高光辐射效率。进一步对器件进行了优化,使级联波导列与单波导之间的距离为1.8a,波导列横向和纵向的周期数分别为6和5,辐射效率可达到最大值,在辐射距离为100a处,辐射功率可达到20%以上。该类型光子晶体器件在近场光学和集成光学等方面有潜在的应用价值。     

Completely Subradiant Multi‐Atom Architectures Through 2D Photonic Crystals

Following recent advances in the manipulation of atoms trapped near 1D waveguides and proposals to use surface acoustic waves on piezoelectric substrates for the same purpose, the potential of two‐dimensional platforms is shown. Directional emission of atoms near photonic crystal slabs with square symmetry is used, in the ideal case, to build perfect subradiant states of 2 distant atoms, possible in 2D only for finite lattices with perfectly reflecting boundaries. These allow the design of massively parallel 1D arrays of atoms above a single crystal, useful for multi‐port output of nonclassical light, by exploiting destructive interference of guided resonance modes. Directionality of the emission is shown to be present whenever a linear iso‐frequency manifold is present in the dispersion relation of the crystal. Multi‐atom radiance properties can be predicted from a simple cross‐talk coefficient of a master equation, in good agreement with exact atom‐crystal dynamics, showing its predictive power. Departing from the ideal theoretical case, possible experimental issues in photonic crystal implementations are also discussed, and an outlook of other relevant modern platforms for 2D propagation of excitations is given.     

圆柱形散射子二维光子晶体的态密度与局域态密度

二维光子晶体只有赝带隙,因此能否利用二维光子晶体有效控制原子自发辐射是令人感兴趣也是有实际意义的问题。其中最重要的因素是态密度和局域态密度的性质。采用平面波展开结合晶体群论的方法计算了二维正方格子光子晶体的态密度和局域态密度。其中散射子为空气圆柱,放置在均匀的电介质背景上。结果显示两个特点:第一,总态密度和局域态密度在原来二维光子晶体赝带隙处虽然已经不为零,但是取值明显低于赝带隙范围之外的值,即存在一个准光子带隙。第二,局域态密度在空气散射子界面处发生突变,空气散射子区域的局域态密度相对较大,这可由电位移矢量的连续性来理解。由于这两个特点在其他二维光子晶体中也被发现过,它们可能是普遍存在的。     

多孔硅制备的二维光子晶体生长过程监控

采用单槽电化学腐蚀法在预置有倒金字塔结构的n型单晶硅上制备用于二维光子晶体的多孔硅。利用基于LabVIEW的虚拟仪器技术对实验仪器编程,搭建实时测控系统,实现对反应过程中所需电源的控制,并且实时显示采集到的随时间变化的电压和电流信号,将采集的数据存储在计算机里。实验表明,恒电流供电模式下致使电压剧烈变动,导致多孔硅侧向...     

大带隙二维光子晶体结构的研究

针对三种常见的介质柱横截面分别为正六边形,正方形和圆形的二维光子晶体,提出了一种增大光子带隙的方法.直角坐标系下,使X方向长度增大p倍,并以原点为中心旋转角度φ,通过调整p和φ来降低结构对称性,使用平面波展开法,对其进行了大量的仿真分析.结果表明,结构改变后的光子晶体具有较大的带隙率.对于三种介质柱的三角晶格结构的光子晶体,最大带隙率能达到12％以上,尤其对于正方柱三角晶格光子晶体,最大带隙率达到15.1％.     

两端有慢变结构的光子晶体的能带特性研究

研究了几种两端有慢变周期结构的光子晶体的能带特性，研究发现，通过在普能光子晶体两端添加适当的慢变周期结构，可以使光子晶体的光子禁带区向短波区或向长波区扩展，也可以同时向短波和长波两个区域扩展，与普通结构的光子晶体的光子禁带宽度相比，可以获得400％以上的禁带区宽度的拓展。     

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。     

用转移矩阵法数值研究二维正方介质柱光子晶体的传输特性

利用转移矩阵方法对二维正方介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,数值计算研究了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同时光子晶体的传输特性。数值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,正方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对光子禁带有重要影响。数值研究表明在正方介质柱下设计宽平坦光子禁带时,可以首先考虑正方晶格结构,其次设法使柱体截面尽量大一些,最后可通过柱体放置方位角来微调光子禁带的宽度与中心频率以达到设计要求。     

二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究

片上集成光源是未来光电子系统中光源发展的主要趋势,LED光源作为片上集成光源的主要缺点是其出光效率低,二维光子晶体是提高LED出光效率的有效手段。本工作设计了C波段LED的基本结构及参数,并采用时域有限差分法计算了不同阵列不同占空比的二维光子晶体能带结构,利用禁带理论选取提高C波段LED出光效率的最优二维光子晶体结构参数,结果表明三角排列空气孔二维光子晶体晶格常数a=500 nm且占空比R_p=0.44的光子晶体结构最优。     

Nearly Perfect Spin Conversion Based on Topological Singularity in 1D Anisotropic Photonic Crystals

Although the spin-controlled vortex generation and photonic spin-Hall effect of spin-flipped abnormal mode have been widely studied recently, the traditional method based on the metasurface is difficult to fabricate, and the efficiency of the spin-flipped abnormal mode is rather low due to process errors and intrinsic material loss. Here, a new method is proposed based on the insights into the topological singularity and special Bragger reflections resonant (BRR) mode of one-dimensional (1D) finite photonic crystals (PhCs) with anisotropic material to realize nearly perfect (100%) spin-conversion efficiency. For a finite 1D PhC with cell number N, there are 3N complete spin-conversion (CSC) and complete spin-maintained (CSM) channels. Two mechanisms of these CSC and CSM channels are revealed. The working bandwidths and the angular ranges of these CSC and CSM are also studied. Based on these theoretical findings, multi-angles and multi-frequencies perfect spin-conversion (-maintained) devices can be designed. At last, these theoretical results are confirmed by the numerical experiments based on finite-difference time-domain (FDTD) methods. This work paves the way to exploring the topological properties and polarization control of PhCs made of anisotropic dielectrics and provides a prospective method for the design of multi-channels spin optical devices.     

填充率渐变型波状结构二维光子晶体

填充率渐变引起的能带结构和等频面结构的变化是填充率渐变型波状结构二维(2D)光子晶体(PC)产生光路转弯现象的根本原因,由于TM模和TE模在能带结构上存在差异,光路转弯现象就具有明显的偏振选择特性,能够实现归一化频率a/λ为0.29~0.33的偏振分束。利用时域有限差分(FDTD)法模拟了TM模的U型转弯波导,发现出射光位置对入射波长和入射角的变化很敏感,位移变化量分别达到0.38μm/10 nm和0.29μm/(°)。利用TM模的U型转弯波导构建了新型的平行平面谐振腔,并指出由填充率渐变型波状结构二维光子晶体和一维多层薄膜构成的混合结构在光分束和抑制光束发散方面的作用及其在平行平面谐振腔中的潜在应用。     

用于短波段发光二极管的二维光子晶体禁带研究

运用平面波展开法(PWE),针对光子晶体在短波长段发光二极管(LED)领域上的应用,主要选择高频禁带模式,研究了4种具有较大应用潜力的二维光子晶体结构,包括正方空气柱结构、三角空气柱结构、正方介质柱结构和三角介质柱结构。在不同晶格常数、占空比(AFF)、柱半径和晶格常数比下,分析了TE模式和TM模式光子禁带的变化。数据分析表明,光子禁带中心波长随AFF增加而变小。相比于其他结构,正方介质柱结构更适于短波段光子晶体LED来提高其出光效率,三角介质柱结构和三角空气柱结构适合用于构造短波段偏振光LED。     

Second Harmonic Generation in 1D Nonlinear Plasma Photonic Crystals

In this paper, a 1D nonlinear plasma photonic crystal (NPPC) structure composed of polarized ferroelectric crystals and nonlinear plasma periodic alternation is proposed. The transfer matrix method is employed to analyze the second harmonic generation (SHG) problem of this structure. In the designed NPPCs, the fundamental wave (FW) operates in the gigahertz (GHz) band and the nonlinear plasma is controlled by an external high-intensity control wave (CW). Numerical simulations are performed to investigate the effects of different incident angles and external CW intensities on the total conversion efficiency (T-con) of the second harmonic wave (SHW). Additionally, the internal electric field distribution and incident light intensity within the nonlinear structure are analyzed. The importance of the relationship between the FW frequency and photonic band gap (PBG) in enhancing SHG is summarized. The results demonstrate that the optimal structure can be obtained by changing the structural parameters, such that the FW and SHW are tuned to the edge of the PBG. At this point, the electromagnetic field density is large, the group velocity is small, the local field is enhanced, and the nonlinear optical interaction is increased, resulting in a significant increase in the T-con of the SHW.     

正方介质柱光子晶体中异常传输现象研究

研究了电磁波在二维正方介质柱光子晶体中的传输,发现处于第一频带部分带隙的电磁波在不同界面切割方向上不同角度入射时可分别产生全反射及复杂异常折射现象如自准直现象、负折射现象.首先利用平面波展开法从理论上研究正方介质柱正方晶格光子晶体的频带结构及等频线,然后通过时域有限差分法来仿真研究光子晶体在第一频带部分带隙的传输特性.当光子晶体的界面切割沿着ΓX方向时,由于光子晶体内无本征模能够被有效地激发,入射波束被完全反射,这与光子带隙导致的全反射具有本质的不同;当光子晶体的界面切割方向沿着ΓM时,归因于其扁平的等频线,一定角度范围内入射的波束在光子晶体内几乎沿同方向传输即产生自准直现象.