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.     

硅基二维平板光子晶体高Q微腔的制作和光谱测量

利用微加工技术, 在SOI上制作出了高Q值的光子晶体微腔, Q值可以达7×10⁴以上, 为后续的光与物质相互作用和量子信息方面的实验奠定了基础. 实验结果与理论模拟符合得较好. 通过三维时域有限差分法模拟, 得到光子晶体微腔的Q值为1.2×10⁵左右. 关键词： 光子晶体 微腔 微加工     

二维硅基平板光子晶体器件

硅材料在红外通讯波段具有低损耗和高折射率的特性,使得其成为集成光学领域中应用最广的材料之一.主要介绍了本课题组在二维硅基平板光子晶体中实现微纳尺度上光调控的研究进展,讨论了利用光子晶体的缺陷态实现各种集成光学器件,包括光子晶体波导、微腔和利用光子晶体波导和微腔形成的滤波器.还介绍了光子晶体中特殊的光折射现象,包括红外波...     

二维点缺陷正方光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对由Al₂O₃介质棒在空气背景介质中构成含有点缺陷的二维正方光子晶体微腔结构进行研究,计算得出缺陷态能带以及缺陷态模场分布。缺陷模对应的电磁波波长为470~476nm。对该微腔结构的品质因数的求解,得出缺陷态光谱曲线。在光谱曲线中,随着传输波长的增大,将产生几个峰值,并且在475nm处的波动最为明显,反映出在475nm附近的电磁波段在缺陷处的光强较大。进一步利用全矢量等效折射率法研究该结构缺陷模频率的稳定性,得出等效折射率的变化曲线。从等效折射率变化曲线可以看出,当传输波长达到475nm时,该结构已经达到稳定传输的区域。含缺陷模的二维光子晶体微腔结构在光子晶体发光二极管以及高阈值半导体激光器等方面有着重要的应用价值。     

二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构进行研究,计算得出其色散图以及缺陷模分布.结果表明:缺陷模波长与微腔谐振波长基本吻合.利用FDTD模拟谐振波长波段的电磁波在光子晶体中传播的动态演化过程,并计算出局域模的空间分布图.最后在有规律地改变缺陷周围介质柱半径的情况下实现谐振中心波长的可调性.     

硅基孔状光子晶体高选择性滤波器设计

通过平面波展开法研究了三角孔状光子晶体晶格的能带结构,并考虑了该过程的辐射损耗.用时域有限差分的方法模拟计算了对应六边形环行腔结构的光谱透射特性,得出优化的晶格周期和占空比.在C波段上,优化的结构达到了98.8%的光学选择比和32.9 nm的半高全宽.用光刻和反应离子刻蚀的方法对样片的加工过程进行了尝试并给出加工参量.搭建相应的系统测试了样片的光谱性能,结果表明:实际样片孔状的样片较之柱状样片更为稳定,而基于环行谐振腔的结构在未来有应用于滤波器、波分复用系统、微陀螺等领域.     

用于垂直腔面发射激光器的超薄光子晶体反射镜

提出了一种光子晶体反射镜作为垂直腔面发射激光器的P面反射镜,并分析了其反射特性。为了设计在850 nm波段具有高反射率和宽带宽的光子晶体反射镜,采用三维时域有限差分法对光子晶体反射镜的结构参数进行计算优化。结果表明,当二维光子晶体结构的气孔半径为84 nm,周期为212 nm,高度为90 nm时,对应TE光学模式的高反射率（R≥99.5%）带宽为106 nm,与中心波长之比为12.5%;同时对于TM光学模式的反射率低于80%,具有较宽的偏振选择性。并且光子晶体反射镜薄,串联电阻小,没有氧化物引入的电阻和应力问题。因此,提出的新型光子晶体反射镜可替代传统垂直腔面发射激光器的P型分布布拉格反射镜,提供高反射率和宽带宽,并提高器件的光电性能。     

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。     

中红外波段硅基两维光子晶体的光子带隙

利用电化学腐蚀的方法制备了大多孔硅两维光子晶体.结构图形对称性为正方格子，其结构参数为正方形晶格周期a=44μm，正方形空气柱的边长l=2μm.并用显微红外光谱仪表征了光谱性质，揭示了所制备两维光子晶体样品的中红外波段光子的反射特性. 关键词： 光子晶体 光子带隙 反射谱 时域有限差分法     

光子晶体耦合腔波导的色散特性

理论研究表明，在基于光子晶体的耦合腔波导中，杂质带的色散性质取决于相邻缺陷间局域电磁场的特性，而非缺陷间距离的大小.在第一布里渊区中出现的杂质带的反常色散实际上是能带折叠的结果.通过计算结构的有效折射率，证实了杂质带色散是正常色散. 关键词： 光子晶体 反常色散 耦合腔 杂质带     

石墨点阵柱状光子晶体共振腔的温度特性

构造了一种二维GaAs石墨点阵柱状光子晶体共振腔. 利用时域有限差分方法计算了这种光子晶体共振腔TE_y模的共振峰随温度变化的情况. 计算结果表明这种结构的光子晶体共振腔的共振峰主峰随温度呈分段线性变化趋势,且具有1.60 nm/℃以上的温度响应灵敏度. 同时,计算结果显示,这种结构的光子晶体共振腔具有很好的频率开关特性. 最后,利用计算结果解释了频率开关特性的成因. 关键词： 光子晶体 温度 共振腔 开关     

硅基两维光子晶体的制备和光子带隙特性

利用反应离子束刻蚀设备制备了硅基的两维空气柱光子晶体，并用红外显微镜测试了样品的 反射谱. 理论上用时域有限差分(FDTD)方法计算了样品的光子带隙，从测试结果看光子带隙 和理论计算的光子带隙符合得很好.  关键词： 光子晶体 光子带隙 反射谱 时域有限差方法     

一维光子晶体的缺陷与F-P腔

利用特征矩阵理论,建立关于缺陷对称的一维光子晶体的缺陷模型.使用计算机对3种情况进行了仿真.经过仿真的透射光谱与F-P腔的透射光谱比对分析后,得到了结论,即仅在特定条件下,模型的缺陷光学长度与F-P腔的光学长度相等.     

二维GaAs 基光子晶体微腔的制作与光谱特性分析

研究了以InAs量子点为有源区的二维GaAs基光子晶体微腔的设计与制作,测试并分析了室温下微腔的光谱特性.观察到了波长约为1137 nm,谱线半高宽度约为1 nm的尖锐低阶谐振模式发光峰.我们比较了不同刻蚀条件下光子晶体微腔的发光谱线,结果表明空气孔洞截面的垂直度是影响光子晶体微腔发光特性的重要因素之一.通过调节干法刻蚀工艺,改变空气孔半径与晶格常数的比率,可以在较大范围内调节谐振模式发光峰位置,达到谐振模式与量子点发光峰调谐的目的.     

光子晶体环形腔的四波长THz滤波器

提出一种基于光子晶体环形腔的四波长THz滤波器,该滤波器在光子晶体结构中引入两个环形腔,且环形腔内部各增加一个正方形介质柱,四周各引入一个散射介质柱。应用基于时域有限差分法(FDTD)的Rsoft软件进行仿真分析,结果表明通过对内部正方形介质柱的边长、散射介质柱半径以及耦合介质柱半径等结构参数的调节,可以滤出74.813,76.98,78.168和78.883 m四个太赫兹波长。该滤波器性能优良,透过率高、Q值高、信道隔离度大,对于THz技术应用具有重要意义。     

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。     

耦合腔光子晶体慢光波导结构

在单线缺陷结构中引入两个附加的相邻介质柱,构成一种新型的光子晶体耦合腔波导结构.通过平面波展开法对波导结构的的慢光特性进行了仿真分析,研究了平移线缺陷上下两侧介质柱,以及改变腔体的长度对器件色散特性和群速度的影响.结果表明:与平移缺陷上下两侧介质柱相比,通过改变腔体的长度,不仅可将光群速度低到0.03c(c为真空下的光速),而且器件的有效波长范围接近20nm.利用时域有限差分法得到波导结构的传输场分布图,研究波长的选取对入射激励光在光子晶体耦合腔波导中传输场的影响,发现结构参量优化后的光子晶体耦合腔波导仍然具有良好的传输特性.     

基于环形微腔的多频段三角晶格光子晶体耦合腔波导光学传输特性

本文理论研究了近红外波段硅基三角晶格光子晶体环形微腔的光场局域特性,通过将微腔在空间周期性排列组成耦合腔光波导,研究了多个导带区域内光束传输时的群速度,最大和最小值分别为0.0028c和0.00028c.将环形微腔在垂直于光传输方向上进行交错排列,通过改变相邻微腔之间的耦合区域,可以大幅降低多频段范围内光束在耦合腔波导中传输时群速度之间的差异,并提高部分频段的透过率数值.在不改变介质柱半径条件下,通过去掉三角晶格光子晶体中距中心介质柱距离分别为2a和√3a的六个介质柱构成了两种微腔,研究了两种微腔所支持的谐振波长之间的差异,在此基础上构造了两种耦合腔波导,进而将这两种耦合腔光波导与W1型输入/输出波导相连,最终实现了在多个不同频率范围内降低群速度的同时实现频段选择和频段分束功能,其导模群速度可降低到0.00047c.     

带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理

结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理,在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅,并利用其高效的承载机制,提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构.在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态,通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射,并在缺陷腔中加入吸收介质,使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡,从而在反射谱中得到缺陷峰;调整光子晶体参数,使缺陷峰的半高全宽得到优化,提高其品质因数(Q值);在此基础上,根据Goos-H?nchen相位移与谐振波长的关系,建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型,并分析其折射率传感特性.结果表明,此生物传感结构Q值为1429,灵敏度为546.67 nm/RIU,证明了该传感结构的有效性,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.