光子晶体光纤非线性系数的数值计算

针对全反射型光子晶体光纤在短波长处的横向电场分布特点,在忽略空气孔内极为微小的电场影响下,将光纤等效为阶跃型光纤,导出一种新的计算有效折射率的方法.结合Sellmeier公式推出光子晶体光纤的非线性系数与其两个几何结构参量和波长的简洁解析关系.对非线性系数随着这些参量的变化进行了数值计算与讨论,得出非线性随着空气孔直径或空气孔直径与孔间距比d/Λ值的增大成指数上升的规律.在波长为0.55 μm和0.85 μm时,非线性系数分别可高达3.5和2.54 m－1W－1.     

等效折射率模型研究光子晶体光纤的色散特性

应用等效折射率模型对折射率导模光子晶体光纤的群速度色散特性进行了详细的讨论。由于光子晶体光纤由单一材料(SiO2)制成,光纤的波导色散决定了总色散,因此讨论中将群速度色散分解为波导色散和材料色散,研究了波导色散与光子晶体光纤的结构参量孔距∧、相对孔径f的关系。分析表明,在f一定的情况下,光子晶体光纤的波导色散与孔距∧的关系符合麦克斯韦方程的比例性质;而在孔距∧确定的情况下,光子晶体光纤的波导色散的零点、极小值点位置与f在所讨论的波长范围内存在线性关系。最后举例说明了通过调整光子晶体光纤的结构参量,可以灵活地设计其色散特性。     

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。     

基于二维非线性光子晶体的全光开关特性

为获得一个优化的全光开关结构,在光子晶体90°弯曲波导的基础上,进一步改进光子晶体结构,并在其中加入克尔型非线性介质柱,得到了非线性光子晶体全光开关结构。通过时域有限差分(FDTD)法数值分析表明,该开关结构能够实现的带宽大约为50nm,消光比大于40dB,阈值功率密度约为5.2W/μm。同时,该结构还可以实现基本的逻辑功能。     

光子晶体光纤非线性系数与其结构参量及光波长的关系

推导计算了全内反射型光子晶体光纤的非线性系数与其两个几何结构参量:包层空气孔半径和空气孔间距之间的关系,给出了输入光波长为1550 nm处,非线性系数与这两个结构参量之间的关系曲线并对其进行了分析.给出了全内反射型光子晶体光纤的非线性系数随输入光波长变化的曲线,分析了短波处高非线性系数产生的原因并指出这一特性的应用潜力.     

基于等效介质二维光子晶体平面波展开法的理论研究

应用等效介质理论,提出了一种计算二维光子晶体的新平面波展开法,数值模拟了圆介质柱在空气中正方排列结构的能带,模拟结果与常规的平面波计算结果符合的很好.     

二维正方光子晶体波导中的慢光传输

采用平面波展开法分析了正方晶格光子晶体线缺陷波导中的慢光传输.数值模拟结果表明,介质柱光子晶体线缺陷波导中,缺陷模的群速度与填充比、缺陷处介质柱半径及与波导相邻介质柱半径有关,其中缺陷处介质柱半径对缺陷模的群速度影响最大;随着填充比和缺陷处介质柱半径的增大及与波导相邻介质柱半径的减小,缺陷模的群速度逐渐减小且最小减至0.015c.进而对比研究空气柱光子晶体线缺陷波导,发现缺陷模的群速度随着缺陷处空气柱半径的减小而减小,最小减至0.008c.     

一维非线性光子晶体全光开关的数值研究

在光子晶体的缺陷层内掺入Kerr介质,基于Kerr非线性效应导致的缺陷态迁移原理,设计了两种一维光子晶体全光开关结构.应用时域有限差分（FD-TD）法,编制Matlab计算程序,对全光开关进行数值特性分析.讨论频率混合效应对全光开关的影响.观察光子局域效应增强光子晶体非线性的现象,验证了光子局域效应与光子晶体完整周期结构的层数有关,层数太少光子局域效应不明显.     

一维非线性光子晶体全光开关的数值研究

在光子晶体的缺陷层内掺入Kerr介质,基于Kerr非线性效应导致的缺陷态迁移原理,设计了两种一维光子晶体全光开关结构.应用时域有限差分(FD-TD)法,编制Matlab计算程序,对全光开关进行数值特性分析.讨论频率混合效应对全光开关的影响.观察光子局域效应增强光子晶体非线性的现象,验证了光子局域效应与光子晶体完整周期结构的层数有关,层数太少光子局域效应不明显.     

填充比和格点方向对二维三角晶格光子晶体带隙的影响

采用有限元法,计算了二维三角晶格椭圆形格点空气孔型光子晶体的TE、TM模式的带隙结构。通过对椭圆形空气孔格点的大小、方向进行改变,研究了填充比、格点方向对带隙的影响。计算结果表明,在空气孔型光子晶体中TE模式更容易形成带隙;不同填充比情况下,格点方向对TE模式和TM模的带隙变化都具有不同影响;不论格点方向如何变化,均未出现完全带隙。     

一维光子晶体非线性色散特性的分析

从无限周期一维光子晶体的色散关系和有限周期光子晶体的透射系数两个方面,对有限和无限周期光子晶体有效折射率的实部和虚部特性曲线分别进行了计算和分析.结果表明一维光子晶体的色散曲线与弹性电偶极子的经典色散曲线类似,在光子晶体的导带为正常色散,而在禁带呈现反常色散.并且用简约布里渊和扩展布里渊区色散曲线对文献报道中存在的两种矛盾的计算结果进行了理论的探讨.解释了导致对一维光子晶体有效折射率计算存在两种不同结果的原因.     

含左手材料异质结构光子晶体的零平均折射率带隙的展宽

运用光学传输矩阵理论,研究了含左手材料一维二元光子晶体的禁带特性.提出了含左手材料的光子晶体异质结构中零平均折射率带隙展宽的方法.根据此方法设计的异质结构的光子晶体形成的零平均折射率带隙,与一维光子晶体零平均折射率带隙相比,零平均折射率带隙的宽度和相对带隙宽度可以得到显著的拓宽.而且它的零平均折射率带隙的边缘与TM波和TE波相关.这种特性在微型谐振腔、天线基片、同轴波导等方面都具有潜在的应用.     

含负折射率缺陷的一维光子晶体的杂质带

利用传输矩阵方法研究了含负折射率缺陷的一维光子晶体的透射谱.以19个周期的1/4波堆存在3个负折射率缺陷的光子晶体为例进行了数值计算.结果表明:如果改变缺陷的折射率,缺陷模之间的耦合作用将发生改变,带隙中形成的杂质带也随之改变; 当这个折射率取适当值时,在禁带中出现多个尖锐的透射峰,与正折射率缺陷构成的杂质带不同.     

基于一维光子晶体的全光逻辑门研究

考虑光场分布的影响,利用传输矩阵法研究了含有非线性缺陷的非对称一维光子晶体的透射特性,得到一种新的全光逻辑门的实现方法.由于光场在缺陷层中有着很强的局域,光子晶体的非线性效应得到增强.基于此,分析了场分布和缺陷层折射率的相互作用对光子晶体透射特性的影响,结果表明：通过合理设计,透射特性完全可以达到稳定状态.在此基础上设计了基于一维光子晶体的异或、与等全光逻辑门     

非线性一维光子晶体光开关与光双稳

设计和制备了ZnS/ZnSe叠层共 2 0个周期的非线性一维光子晶体光开关与光双稳器件 理论模拟了波长 5 14 .5nm的氩离子激光 ,在阈值功率密度 1.0× 10 5W/cm2 下 ,完全移出光子禁带 ,实现了光开关 同一器件也可作为光学双稳器件 ,实验测出其阈值功率密度为 1.38× 10 5W/cm2 ,双稳开关时间为 10 0ps 理论与实验结果基本一致     

非线性一维光子晶体特性的动态调制

对含有非线性材料的一维光子晶体带隙结构进行了数值计算.在外部入射光强调制下,非线性缺陷层折射率的改变会引起禁带内缺陷模的移动,而光子晶体禁带位置与宽度基本保持不变;若基本周期层取非线性材料,随入射光强的改变,禁带内部缺陷模发生相同的移动,同时,禁带位置和禁带宽度也会发生移动.利用这一性质可以对光子晶体进行动态外部调制,在此基础上对非线性一维光子晶体动态滤波选频进行了实验设计.     

含负折射率介质非线性Bragg腔的双稳态特性

研究了含负折射率介质一维光子晶体非线性Bragg腔的透射特性、光学增强和双稳态特性.对负折射率介质无色散和有色散非线性Bragg腔及由两种正折射率介质构成的非线性Bragg腔的透射谱、光学增强、缺陷模的线宽、入射光的红移量、双稳态开关阈值进行了比较.含负折射率介质的非线性Bragg腔可显著增大腔内光学增强效应,降低缺陷模的线宽、入射光的红移量和双稳态开关阈值.     

Nonlinear Refractive Index of Er3+-Doped Fiber and Its Application to Nonlinear Fiber Coupler

A large change in the refractive index originating in the transition absorption of erbium ions is induced in an Er³⁺-doped fiber. It is shown that the Er³⁺-doped fiber exhibits the nonlinear refractive index of n₂=7.4 × 10⁻¹⁵ m²/W, which is 10⁵−10⁶ times larger than that caused by the optical Kerr effect in a usual silica fiber at the pumping, wavelength of 514.5 nm. The large nonlinear refractive index occurred in a fiber directional coupler fabricated with the Er³⁺-doped fiber optically changes the coupling condition. The coupling ratio changes up to 0.16 by increasing the pumping power up to 0.7 mW.