波状结构二维光子晶体的自准直特性及亚波长成像的研究

利用平面波展开方法计算了波状结构二维光子晶体(2DPC)的等频面，对等频面内矩形轮廓的等频线进行研究，提出了波状结构2DPC的自准直特性，运用时域有限差分(FDTD)方法模拟了波状结构2DPC在不同入射角情况下对所入射高斯光束的自准直作用.将波状结构2DPC的自准直特性运用到近场亚波长成像，模拟了波状结构2DPC的自准直亚波长成像效果，单光源的成像分辨率达到0.28λ，且随着光源逐渐远离近场范围而降低. 关键词： 光子晶体 自准直 等频面 亚波长成像     

金属-电介质多层膜结构亚波长成像特性分析(英文)

分析了由Ag和Si3N4多层纳米薄膜组成的特异材料的模式特性,使用本征模展开法(EME)结合完全匹配层(PML)边界条件模拟了该结构的亚波长成像行为,在法布里-珀罗(Fabry-Perot)条件(结构的长度是半波长的整数倍)条件下,研究发现邻近系统的点源会在另一侧成实像,这种成像基于自准直而并不是负折射.研究结果证实了金属-电介质多层膜结构可以在光波段实现近场成像.     

等效折射率为非-1时的亚波长成像

本文采用硅柱子周期性排列构成六角结构光子晶体,用平面波展开方法和FDTD方法研究表明,此结构光子晶体存在等效折射率接近-1的频率区域.在等效折射率趋于-1但不等于-1时,此光子晶体平板结构超透镜能形成一个非近场的像.模拟还发现,此结构平板光子晶体等效折射率为非-1时,可以亚波长成像. 关键词： 负折射 光子晶体 亚波长 成像     

基于空气孔的光子晶体亚波长成像的特性研究

负折射率材料因为其奇异的特性成为广泛研究的对象,尤其是光子晶体平板的完美成像.本文采用空气孔在硅介质中周期性排列构成六角结构的光子晶体结构,用平面波展开法及FDTD方法,研究了该光子晶体的亚波长成像能力还研究了入射波长以及温度漂移对该光子晶体平面亚波长成像的影响.     

金属薄膜亚波长近场成像特性研究

采用基于等离子体物理模型的时域有限差分方法模拟了金属薄膜近场成像特性;采用薄膜传输矩阵方法计算了金属薄膜对倏逝波分量的放大作用.实现了周期为1μm的Cr光栅的成像实验,验证了平板金属薄膜的模拟成像特性. 关键词： 时域有限差分 金属薄膜 近场亚波长成像 传输矩阵方法     

近红外波段硅基金属光子晶体平板的亚波长成像特性

利用时域有限差分方法,理论上研究了由正方形金属嵌入背景材料硅中组成的二维正方晶格和三角晶格光子晶体的亚波长成像特性。采用Drude模型描述金属银的色散特性,在近红外波段该模型可以很好地描述金属的实际介电常数。通过结构参数的设计,在上述两种结构中实现了波长在1550nm附近的亚波长成像,并且发现金属对入射光的吸收使得成像位置处的光强稍有降低,但是对于光子晶体亚波长成像的质量并无影响。相对于通常的硅基空气孔型光子晶体亚波长成像器件,该种硅基金属型全固态光子晶体结构更加稳定,因而可以更好地在复杂全光集成回路中加以实际应用。     

一维亚波长周期结构物成像的光子学研究

当用波长为λ的单色平行光垂直照射到光栅常数d<λ的亚波长周期结构衍射物时,会产生隐失波。由于快速衰减,这种亚波长周期物是不能成像的。但是,通过对亚波长周期结构物进行适当的编码后可得到均匀波,使这种携带了隐失波信息的均匀波通过经特别设计的光学系统并被放大到CCD所能识别的像素大小后,再进行必要的解码以滤掉编码波,即可得到原亚波长周期结构衍射物的像,最终达到超分辨的目的。基于这种新颖的成像技术,用常规仪器就实现了对亚波长周期结构物的成像。在运用光子学方法对实验和成像过程进行较为详尽的理论分析的同时,对编码器、解码器的位置以及它们相对物光栅的取向给出了设计性研究,对滤波器的选择给予了必要的说明。实验结果验证了该设计理论的正确性。     

波状结构二维光子晶体近场亚波长成像的研究

研究了波状结构二维光子晶体(2DPC)在红外波段的负折射近场成像,对其等频面进行了分析,指出波状结构二维光子晶体无法实现负折射远场成像的原因在于缺少与入射介质等频面相匹配的光子晶体圆形等频面,所用的矩形等频面使波状膜层二维光子晶体不可避免地具有各向异性特征,进而将成像限制在近场范围内。采用时域有限差分(时域有限差分)方法模拟了不同厚度的波状结构二维光子晶体近场成像效果,当厚度为两倍栅格常量时,单光源的成像分辨力为0.28λ,达到亚波长分辨效果。分辨力随着光源逐渐远离近场范围而降低,而像点的位置基本不随光源距离和光子晶体厚度的变化而改变。双光源的成像模拟进一步验证了波状结构二维光子晶体的近场亚波长成像能力,分辨力达到0.35λ,但成像质量受光子晶体厚度变化的影响较大。     

基于一维金属-介质周期结构的偏振分束

分析了一维金属一介质周期结构的能带特性,根据一定频率范围内TM波(磁场方向与界面平行)在结构中的负折射以及TE波的正常折射,提出了一种偏振分束器件.利用传输矩阵法(TMM)模拟了该结构对入射高斯光束的偏振分束作用,讨论了不同入射角度下的偏振分束能力,并结合实际金属参量,分析了金属层吸收对结构特性的影响.结果表明该结构在55°附近入射时有最好的性能;在吸收作用下结构偏振分束能力有一定的减小,TM波透射比发生了较大变化,TE波效果较好;随着周期数增加,结构透射比下降,但分光能力显著提高;在工作波段上随着波长增大,金属层吸收对器件的影响减弱.该结构能实现宽波段、宽角度、较高透射比的偏振分束.     

一维金属/介质光子晶体透射特性分析

阐述了一维金属/介质光子晶体的概念,采用时域有限差分法研究了不同金属等离子体频率和碰撞频率对一维金属/介质光子晶体透射特性的影响。计算结果表明,一维金属/介质光子晶体具有在可见光波段透明,在紫外波段以及红外至微波波段不透明的特性。对于结构相同的金属光子晶体,金属等离子体频率越低,金属光子晶体在可见光波段的透射允带就越宽,透射率越高,而金属的碰撞频率对透射允带没有显著的影响。     

Controlling the self-collimation characteristics of a near-infrared two-dimensional metallic photonic crystal

Self-collimation characteristics of the two-dimensional square-lattice photonic crystal(PC) consisting of metal rods immersed in silicon are studied by the finite-difference time-domain method.The Drude dispersion model is adopted to describe the metal rod,and the self-collimation behaviours of the near-infrared light through the PC are studied.The frequency region and the tolerance of incident angle for the self-collimation behaviour can be controlled by changing the shape of the metal rods.     

Archimedes 32,4,3,4结构光子晶体中与偏振无关的自准直分束器

通过等频图分析并结合时域有限差分法法模拟, 在Archimedes 3²,4,3,4结构排列的二维光子晶体中同一频率下同时实现了电磁波两种偏振态的自准直. 研究发现,在该结构光子晶体中引入缺陷,当线缺陷宽度改变时, TE和TM两种偏振态光束的分束效果将会随之变化.由此通过控制缺陷宽度,分别实现了两种偏振态光束的50% ∶50%分束以及90°大角度光折弯,分束和折弯的效率都较为理想,为未来设计基于光子晶体的新型光子学器件提供了一种新的思路.     

Engineering the near-field imaging of a rectangular-lattice photonic-crystal slab in the second band

Imaging properties of a two-dimensional rectangular-lattice photonic crystal (PC) slab consisting of air holes immersed in a dielectric are studied in this work. The field patterns of electromagnetic waves radiated from a point source through the PC slab are calculated with the finite-difference time-domain method. Comparing the field patterns with the corresponding equifrequency-surface contours simulated by the plane-wave expansion method, we find that an excellent-quality near-field image may be formed through the PC slab by the mechanisms of the simultaneous action of the self-collimation effect and the negative-refraction effect. Near-field imaging may be obtained within two different frequency regions in two vertical directions of the PC slab. Supported by the Research Foundation of the State Ethnic Affairs Commission of China (Grant No. 07ZY15), the National Key Basic Research Special Foundation of China (Grant Nos. 2004CB719804 and 2006CB921702), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 10674185 and 10705056), and the Youth Foundation of Central University of Nationalities (Grant No. CUN0207)     

基于自准直效应的光子晶体异质结偏振分束器

基于光子晶体的自准直效应和禁带特性,提出了一种具有非正交异质结结构的光子晶体偏振分束器.无需引入缺陷或波导,可使光波在该结构中准直无发散地传输并实现分束功能,对制造工艺的要求大大降低.利用Rsoft软件,结合平面波展开法和二维时域有限差分法,对提出的偏振分束器进行了仿真研究.结果表明,该偏振分束器在一个较大的频率范围f=0.275—0.285(a/λ)内可实现横电(TE)和横磁(TM)模的大角度偏振分离,TE和TM模的透过率均在88%以上,偏振消光比分别大于26.57 dB和17.50 dB.该结构可应用到太赫兹波段的传输系统中,a=26μm,尺寸大小为572μm×546μm,在91—95μm波长范围内可实现TE和TM模的分离.利用该结构可设计用于光通信系统(n=3.48)的偏振分束器,a=426.25 nm,结构仅为9.38μm×8.95μm.本方案结构简单,易于集成,有望在集成光路的发展中发挥重要作用.     

低对称性光子晶体超宽带全角自准直传输的机理研究

提出了一种低对称性椭圆介质柱二维光子晶体结构, 利用平面波展开法研究了该结构在第一布里渊区的能带特性. 讨论了全角自准直效应的物理机制及椭圆柱结构参数对其带宽的影响, 明确给出了自准直传播模式的存在判据. 研究发现, 自准直模式几乎覆盖了TE偏振的整个第四能带, 而且该能带面上存在两个横跨第一布里渊区的超宽平坦区域. 时域有限差分法模拟结果表明, 利用超宽平坦区域的特性, 可同时实现带宽达187 nm (以1550 nm为中心波长)、准直入射角度几乎覆盖0°–90°的宽带全角自准直光传输.     

对称型单负交替一维光子晶体的能带结构

构造了(AB)^N(BA)^N对称型两种单负材料交替一维光子晶体,利用传输矩阵法进行数值模拟.结果表明：这种单负交替对称型一维光子晶体具有一种特殊带隙结构,该带隙不敏感于入射角和晶格的无序性.在该带隙内出现了两个隧穿模,该隧穿模不敏感于入射角的改变和晶格的无序性,但能带及带隙内的隧穿模却敏感于晶格标度和周期数的变化;随着入射角的改变,带隙两侧的隧穿模趋于简并.这些特性对在利用此结构光子晶体设计双重超窄带滤波器时,具有一定的参考价值. 关键词： 光子晶体 单负材料 光子带隙     

基于自准直效应的Fabry-Perot干涉仪的设计

报道了基于圆柱型光子晶体自准直效应的低功耗Fabry-Perot干涉仪。该干涉仪是在二维光子晶体中引入两排线缺陷构成的。引入的线缺陷具有高反射率和低透射率。在自准直频率范围0.187c/a~0.201c/a,线缺陷的透射率介于20.77%~40.65%。利用时域有限差分方法对FPI的透射谱进行研究,结果表明对两排缺陷的间距d即使进行微小的扩大也会引起透射峰向低频移动,透射谱的自由光谱范围和透射峰的频率随着d的增大而变小,透射谱的半高宽会随着线缺陷的反射率的提高而逐渐变小。