适用于毫米波带状束行波放大器的光子晶体栅慢波电路研究

提出了一种适用于毫米波及THz波行波放大器的光子晶体栅慢波电路,即横向分布光子晶体栅慢波电路,并提出了分析和设计此类光子晶体栅慢波电路的方法.通过计算光子晶体TE极化的带隙和在带隙内将光子晶体栅慢波电路等效为矩形栅波导慢波电路,从而,光子晶体栅慢波电路的设计得以分为两步独立进行,从而简化了光子晶体栅慢波电路的设计.对横向分布光子晶体栅慢波电路进行了设计和计算,结果表明,与矩形栅波导慢波电路相比,横向分布光子晶体栅慢波电路可以降低工作电压并增加带宽,从而可以降低成本. 关键词： 行波放大器 光子晶体 毫米波 慢波电路     

Ku波段光子晶体加载曲折波导慢波结构

研究了Ku波段光子晶体加载曲折波导慢波结构的色散特性和耦合阻抗。用电磁仿真软件CST MWS进行了仿真, 讨论了慢波结构外光子晶体对慢波通道内电磁波的选择通过性。对具有相同结构尺寸慢波结构的研究结果表明:光子晶体加载慢波结构的色散比传统曲折波导慢波结构的色散低;和传统曲折波导慢波结构相比,光子晶体加载曲折波导慢波结构的耦合阻抗略高。     

Ku波段光子晶体加载曲折波导慢波结构

研究了Ku波段光子晶体加载曲折波导慢波结构的色散特性和耦合阻抗。用电磁仿真软件CST MWS进行了仿真, 讨论了慢波结构外光子晶体对慢波通道内电磁波的选择通过性。对具有相同结构尺寸慢波结构的研究结果表明：光子晶体加载慢波结构的色散比传统曲折波导慢波结构的色散低;和传统曲折波导慢波结构相比,光子晶体加载曲折波导慢波结构的耦合阻抗略高。     

等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性研究

等离子体填充慢波器件为高效率、高功率真空电子微波源的发展提供了新的途径, 但其仿真和理论都具有一定的难度. 本文将通过轮辐天线加载激励信号的方法引入到等离子体填充金属光子晶体慢波结构(SWS)的色散特性仿真分析中, 研究了慢波结构参数和等离子体密度对等离子体填充慢波结构色散特性的影响. 结果表明, 无等离子体填充时, 通过轮辐天线加载激励信号方式得到的色散特性与其他方法差别不大; 与已有结果对比表明, 该方法适用于等离子体填充慢波结构的分析. 为了减小轮辐天线对腔体谐振频率的影响, 需要适当减薄轮辐天线的厚度, 并尽可能缩短其与反射面之间的距离. 天线的厚度越大越能激励慢波场, 越小谐振模式越容易被激励; 慢波结构周期膜片外半径和厚度对色散特性影响不大, 周期长度和膜片内半径对色散特性影响较大; 频率和相速色散曲线随等离子体密度上升而整体向高频区移动; 等离子体填充对低频模点的影响要大于对高频模点的影响; 对于慢波器件, 需要选择高频模点工作模式, 以减少腔的尺寸并降低电子注的初速度.     

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。     

1维微波光子晶体频率选择性反射面

研究了一种由多层介质交替排列的1维微波光子晶体,应用传输矩阵法计算和分析了该结构周期数、波的入射角、介质的相对介电常数以及介质层厚度等对其频率选择特性的影响,并具体给出了一个可行的设计方案。所设计的频率选择表面在3.2～4.0 GHz频率范围内,反射系数大于0.99,在9.5～9.7 GHz频率范围内透射系数大于0.98。     

光子晶体的原理与应用

光子晶体是一种在微米、亚微米等光波长量级上折射率呈现周期性变化的介质材料，它使某些频率范围内的光子态密度大大降低．甚至完全形成光子禁带．本文介绍了光子晶体的原理、制备及应用．     

高效光子晶体太赫兹滤波器的设计

提出了一种新型光子晶体太赫兹(THz)滤波器,该滤波器包括利用线缺陷实现的波导部分和利用微腔实现的频率选择部分.应用平面波法(PWM)分析其带隙结构,然后应用时域有限差分法(FDTD),研究THz波在此滤波器中的传输特性,结果表明,通过改变点缺陷的结构和增大某些介质柱的半径,可以使该滤波器实现高耦合效率的单信道单频率滤波. 关键词： 光子晶体 THz波 平面波法 时域有限差分法     

Modelling issues for waveguide photonic crystals and photonic microstructures: A personal view

This paper is primarily an attempt to highlight areas of photonic crystal and microstructure research where there is a need for computer-based modelling. No attempt is made to assess the relative merits of different computational methods. Instead, attention is focussed mainly on engineering issues that, in the author's view, are likely to be important in predicting and analysing the properties of complex device structures built up from photonic crystal building blocks.     

Modelling issues for waveguide photonic crystals and photonic microstructures: A personal view

This paper is primarily an attempt to highlight areas of photonic crystal and microstructure research where there is a need for computer-based modelling. No attempt is made to assess the relative merits of different computational methods. Instead, attention is focussed mainly on engineering issues that, in the author’s view, are likely to be important in predicting and analysing the properties of complex device structures built up from photonic crystal building blocks.     

FDTD analysis of photonic crystal defect layers filled with liquid crystals

Dielectric and metallic photonic crystals comprising nematic liquid crystal materials as defect layers or elements are investigated by the Finite Difference Time Domain (FDTD) method. Appropriate formulations of the FDTD algorithm, for the simulation of anisotropic and dispersive media as well as periodic geometries, are utilised and combined with the proper absorbing and periodic boundary conditions. The spectral properties of the presented structures are tuned by means of applying static electric fields across the defect layers, thus affecting the molecular orientation of the liquid crystal material. Numerical results show that sufficient tuning ranges are achieved, requiring low operating voltages. Moreover, high and sharp resonance peaks are observed.     

等离子体填充金属光子晶体Cherenkov辐射源模拟研究

等离子体填充能够明显提高真空电子器件的效率和功率, 研究等离子体填充器件具有重要的科学价值. 本文基于对等离子体填充金属光子晶体慢波结构色散特性的分析, 利用粒子模拟方法展示了等离子体填充慢波结构中的注波互作用过程. 重点研究了慢波结构中场分布特性、等离子体密度和外部工作条件对频率及输出功率的影响. 研究发现, 填充一定密度等离子体后, 慢波结构内纵向和横向电场强度明显增大, 注波互作用增强, 输出频率受等离子体影响不大. 金属光子晶体结构具有的频率选择特性使器件工作于TM₀₁模态. 阴极电压增加使输出功率增大, 频率略有增加. 引导磁场增加使输出功率先增大后减小, 而频率基本不受影响. 等离子体填充后器件的输出功率上升, 当增加压强至100 mTorr(1 mTorr=0.133 Pa) 时, 输出功率提高约20%, 但只有适当密度下才有较好的角向场分布. 通过理论与模拟相结合, 发现填充一定密度的等离子体能够提高器件输出功率和效率, 为发展新型高功率毫米波振荡辐射源奠定了理论和仿真基础.     

光子晶体介质性质及手性特征的一种判别方法

通过研究各向同性以及各向异性介质中电磁场的波矢量与波印廷矢量之间的角度关系,给出了利用电磁场的单位波矢量与单位群速度的点积值来判断光子晶体介质性质及其手性特征的一种方法.并指出,可以利用光子晶体手性特征临界点的特性来解决多光束的合束问题.最后,利用解析计算讨论了上述结论.上述研究结果为进一步丰富“电动力学”等相关课程的教学内容打下了基础.     

共轴环光子晶体的缺陷微腔特性

采用数值计算方法,模拟了共轴环光子晶体缺陷微腔的谐振模式场分布,计算了此微腔的品质因数和功率损耗,并分析其几何参数对谐振特性的影响。以此缺陷微腔为基础构建周期性慢波系统,讨论了该系统的色散特性。结果表明,微腔中能够存在单一的谐振模式,微腔的纵向长度和介质环介电常数对谐振特性影响较大。所构建的慢波系统有较宽的慢波频域,且慢波比曲线较为平坦。增大电子注开孔半径和减小周期长度对于提高工作频率及增加带宽较为有效。     

热激法光子晶体光纤光栅制备工艺中热传导特性研究

研究了基于结构性改变的光子晶体光纤光栅的热激法制备工艺,理论分析了此种工艺的成栅原理,采用热传导理论和有限元法研究了制备过程中光子晶体光纤中的温度场分布,以及包层空气孔结构和激光参数对成栅效果的影响.研究结果表明,利用光子晶体光纤包层空气孔周期性塌缩可以形成光栅;采用两点热激法时,能够实现能量在光纤径向均匀分布,轴向近似于高斯分布;包层气孔结构加速了成栅过程,相同光斑尺寸下,光纤塌缩所需激光功率随气孔层数和气孔半径的增大而减小;最后,对包层空气孔结构为1层到7层的光子晶体光纤热激过程进行仿真,得到了空气填 关键词： 光纤光栅 光子晶体光纤 热激法 有限元法     

非截面二维光子晶体排列矩形波导的全模式分析

在对周期性结构进行谐波分析的基础上，导出了非截面二维光子晶体排列矩形波导的本征值方程. 基于此方程，可以对该类光子晶体波导的所有可能模式进行分析. 分析认为，非截面二维光子晶体排列矩形波导内能存在的模式包括E_(y)，TE_y，H_(y)和TM_y模式；改变波导高度，可以实现E_(y)模式和H_(y)模式与其他模式通带的完全分离. 然而改变任一结构参数，都不能使E_(y)和H_(y)的各个模式通带，以及E_(y)1模式和H_(y)1模式的通带完全隔离. 波导单模工作的带宽由E_(y)1和E_(y)2模式的低端截止频率决定. 关键词： 波导 光子晶体 本征值方程 模式     

Design and optimization of 2D photonic crystal waveguides based on silicon

The existence and properties of photonic band gaps was investigated for a square lattice of dielectric cylinders in air. Band structure calculations were performed using the transfer matrix method as function of the dielectric constant of the cylinders and the cylinder radius-to-pitch ratio r/a. It was found that band gaps exist only for transverse magnetic polarization for a dielectric contrast larger then 3.8 (index contrast >1.95). The optimum r/a ratio is 0.25 for the smallest index contrast. For silicon cylinders (n = 3.45) the widest gap is observed for r/a = 0.18. Band structure calculations as function of r/a show that up to four gaps open for the silicon structure. The effective index was obtained from the band structure calculations and compared with Maxwell–Garnett effective medium theory. Using the band structure calculations we obtained design parameters for silicon based photonic crystal waveguides. The possibility and limitations of amorphous silicon, silicon germanium and silicon-on-insulator structures to achieve index guiding in the third dimension is discussed.     

Tunable properties of light propagation in photonic liquid crystal fibers

Tunable properties of light propagation in photonic crystal fibers filled with liquid crystals, called photonic liquid crystal fibers (PLCFs) are presented. The propagation properties of PLCFs strongly depend on contrast between refractive indices of the solid core (pure silica glass) and liquid crystals (LCs) filing the holes of the fiber. Due to relatively strong thermo-optical effect, we can change the refractive index of the LC by changing its temperature. Numerical analysis of light propagation in PLCF, based on two simulation methods, such as finite difference (FD) and multipole method (MM) is presented. The numerical results obtained are in good agreement with our earlier experimental results presented elsewhere [1].     

各向异性光子晶体中Λ型原子动力学性质研究

讨论了各向异性光子晶体中外驱动场作用下Λ型原子的动力学性质及辐射谱特性. 通过理论 分析和数值计算发现，原子上下能级的布居数将出现准周期性振荡的性质，其振荡的频率和 振荡的幅度与上能级的耗散系数γ， 驱动场的作用强度，驱动场和共振频率失谐度δ等相 关； 原子上能级与光子晶体带边的相对位置将直接影响到原子自发辐射的模式. 此外，从 辐射谱的角度分析光子晶体对原子周围辐射场的特性及其传输性质的影响.     

Tight-binding method modelling of photonic crystal waveguides

We present here a tight-binding-like modelling of two-dimensional (2D) photonic crystals (PCs). Adopted from solid-state physics, the concept of generalized Wannier functions is used to construct a localized state basis that allows a parameter-free ab initio study of defects in PCs. We demonstrate here for a 2D triangular lattice of dielectric rods in air, the existence of this localized basis and the possibility to study large scale complex dielectric structures deviating from periodicity. Specific numerical simulations on a split waveguide embedded in this triangular lattice are performed, and they demonstrate the superiority of this method over plane wave based techniques.