一维光子晶体缺陷模激光器的放大特性

光子晶体中引入缺陷后将形成缺陷模,这些缺陷模在增益介质中将被放大形成激光。基于麦克斯韦方程和速率方程相结合的模型,用时域有限差分法(FDTD)计算和分析了一维单缺陷光子晶体激光器中缺陷模的空间分布和频谱特性,以及这些缺陷模的放大特性,主要研究了缺陷层的厚度、晶体层数对缺陷模放大特性的影响。模拟结果显示,类似于传统激光腔的腔模,这些缺陷模能够被放大,形成激光。调整缺陷层的厚度、晶体层数等结构参量,将改变缺陷模的谐振,激射频率以及空间分布,这将直接影响激射阈值和饱和特性。增加晶体的层数,激光器的阈值将降低,饱和值将增加,但晶体层数增加到一定限度时,这种增减趋势变弱。模拟结果证明了有效层数的存在。     

基于光子晶体的三端口分插复用器

提出了一种新的基于对称全反射壁的光子晶体分插复用器,与其他类型的光子晶体复用器相比,无需对介质柱进行复杂的调节即可实现100%上/下载,方便实际制造.提出的理论模型与基于二维时域有限差分(FDTD)法的数值实验相当吻合,显示出这种器件具有优良的上/下载性能.     

圆柱光子晶体全反射隧穿的梳状滤波特性

研究一维圆柱光子晶体的全反射隧穿的梳状滤波特性,利用传输矩阵法计算光在大于全反射角入射一维圆柱光子晶体的透射率.在透射波中发现全反射隧穿效应,全反射隧穿峰具有优良的梳状滤波特性.得到圆柱光子晶体的全反射隧穿随周期数、模式量子数以及圆柱半径的变化特征,为设计性能优良的梳状光子晶体滤波器提供理论依据.     

周期不对称度对光子晶体透射谱特性的影响研究

利用传输矩阵法,研究周期不对称度对光子晶体透射谱的影响,结果表明:当周期不对称度为零时,光子晶体透射峰随着周期数的增大而变得越精细,但其透射率均为100%不变;当周期不对称度为不等于零的恒定值时,光子晶体透射峰的透射率低于100%,但随着周期数的增大,透射峰仅变得精细而透射率不变;光子晶体透射峰的透射率随着周期不对称度增大而下降,而且不对称度越大,透射率下降越快,同时透射峰变窄的速度也越快。周期不对称度对光子晶体透射谱的影响规律,为光子晶体模型的构造和设计制备等提供方法依据。     

基于光子晶体塔姆态的带隙分裂

将由两个一维介质层光子晶体组成的异质结拓展为超晶格结构,分析了该结构的能带和透射谱。该超晶格结构可以产生多个界面隧穿态,它们之间的耦合可产生新的通带。研究结果表明,该通带的宽度随光子晶体的周期数变化,而通带的中心位置保持不变。当光子晶体周期数取特定值时,这个通带将发生分裂,在带间产生零相位带隙或π相位带隙。     

掺杂光子晶体光纤自发辐射与掺杂激活杂质的光增益透射谱研究

借助光子晶体中二能级原子的自发辐射理论证明缺陷态的局域场存在的必然性以及局域场基本性质,为研究光子晶体光纤掺杂自发辐射的内在规律提供了理论依据。且将自发辐射理论与数值模拟相结合,在缺陷介质中掺激活杂质时,研究了光子晶体光纤的掺杂局域场特征以及受激辐射增强和透射率大于1现象与光子带隙群速度异常和掺杂层复有效折射率成负的虚部之间的内在关系。由此说明光子晶体光纤的缺陷介质中掺入激活杂质时,光子禁带中能出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,较强的受激辐射放大。     

基于冲击波作用于光子晶体实现光学频率变换方法的分析

分析了光子晶体实现光学频率变化的方法。阐述了光子晶体光学频率变换的原理,用软件仿真了冲击波作用光子晶体的折射率变化和带隙变化,分析了冲击波速度和冲击波作用光子晶体时间的长短对光学频率变化的影响,结论表明,冲击波速度越大光学频率的变化量越大,冲击波作用光子晶体的时间越长光学频率的变化量越大。由于利用光子晶体的禁带特性,能够对落入光子晶体禁带中的光波实现全反射,故频率转换效率很高。此种方法在近几年发展起来的可调谐激光器有重要的应用,也是光子晶体一个新的研究领域。     

含单负材料一维光子晶体局域场的研究

利用光学传输矩阵法对含单负材料的一维光子晶体的光学传输特性进行了数值计算.结果表明,选择合适参数,使得双缺陷满足ε和μ为零的条件,该缺陷就不会影响光子带隙.而传统的一维光子晶体,由于缺陷的加入,会在光子带隙中出现缺陷模.当满足ε和μ为零的条件时,双缺陷中传输矩阵相当于一个单位矩阵,相当于一层透明材料;当双缺陷厚度增加时,其中的场强度成指数增加,与放在真空中双缺陷相比,带边的场局域效应更加明显.     

Wavelength Demultiplexing Structure Based on Coupled-Cavity Waveguides in Photonic Crystals

A structure based on photonic crystals for optical wavelength demultiplexing is proposed and analyzed. This structure consists of two coupled-cavity waveguides, each one tuned at a different frequency transmission band. A model based on the tight-binding method taken from solid-state physics is used to design the working frequencies of the waveguides. The demultiplexing behavior is demonstrated by means of simulations employing a finite-difference time-domain method. It is concluded that the demultiplexing mechanism presented here may be used as a building block in multifunctional lightwave integrated circuits based on photonic crystals.     

镧系氧化物光子晶体自组装与自发辐射调制

光子晶体是介电常数(折射率)随光波长大小周期性巨大变化的人工晶体。光子晶体的诞生使人类操控光子由梦想成为现实。光子晶体结构对置于光子晶体中的荧光客体自发辐射速率和荧光强度具有重要的调制作用。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似,光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时,由于存在布拉格散射而受到调制,电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙,即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子,不能进入该晶体。本文将在综述这一领域国际上的重要研究进展基础上,重点介绍本课题组在镧系氧化物三维晶体的自组装与光子带隙对稀土离子自发辐射调制方面的研究成果。     

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。     

二维三维混杂及准三维嵌套复式光子晶体带隙研究

提出了由两套晶格嵌套组成的全新二维/三维混杂及准三维嵌套复式周期光子晶体结构,并通过理论计算获得了带隙位置主要取决于外周期晶格常量,内周期有助于获得超窄禁带的新型带隙特性.这种内外结构周期效应同时发挥带隙调制作用的性质是该类嵌套复式结构所特有.从理论上验证了嵌套结构利用小尺寸周期调制大波长禁带的可行性.     

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     

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。     

Photonic crystal fibre Brillouin laser based on Bragg grating Fabry-Perot cavity

A photonic crystal fibre Brillouin laser based on fibre Bragg grating Fabr-Perot cavity is presented. A highly nonlinear photonic crystal fibre 25 m in length is used as Brillouin gain medium and fibre Bragg grating Fabry-Perot cavity is chosen in order to enhance the laser conversion efficiency and suppress the higher-order Stokes waves. The laser reaches the threshold at input power of 35 mW, and the experimental laser conversion efficiency achieves 18% of the input power of 140 mW and does not show higher-order Stokes waves. A photonic crystal fibre Brillouin laser with shorter fibre length and lower threshold is experimentally realized.     

温度对超导光子晶体光子能带的影响

建立了二维超导光子晶体的物理模型,在超导二流体模型并考虑原子作非简谐振动情况下,用平面波展开法求出超导光子晶体的光子能带满足的方程.以YBaCuO超导光子晶体为例,探讨温度对它的光子能带结构的影响.结果表明：二维超导光子晶体在低温时具有较宽的禁带,且禁带宽度随温度的升高而变小.     

基于一维光子晶体带隙反射的YAG激光防护镜

设计并制备了一种以磷酸盐玻璃为衬底的一维光子晶体YAG激光防护镜。其中一维光子晶体的带隙反射1．06μm波长的光(透射率低达10^-7),加上磷酸盐玻璃对1．06μm波长光的强吸收作用(透射率约1％),使该防护镜足以防护全方位入射的、脉冲能量密度1J／cm^2以下的ns-脉冲YAG激光对人眼的伤害,而器件对可见光的透射率高达70％以上,而且可以避免反射光对他人的二次反射伤害。对器件的测试结果与设计数据一致。     

采用液晶空间光调制器进行激光光束的空间整形

提出采用液晶空间光调制器进行激光束的实时,可调控光束空间整形的新方法,研究了液晶空间光调制器的光学调制特性,用液晶空间光调制器衬时产生的软边切趾光阑与空间滤波器结合,有效地对任意光束进行空间整形,获得光束填充因子高,近“平顶”光强的光束近场分布。     

基于硅纳米线波导的两级光子晶体缩束器

鉴于在微观领域光波的缩束对实现光电集成的重要意义,提出了基于硅纳米线波导的两级光子晶体缩束器。其中一级压缩基于W5型和W1型光子晶体波导间的高效耦合。二级压缩则由宽为0.1μm,长为3.06μm的纳米线波导和W1型光子晶体波导构成,通过二者的高效耦合实现光束压缩。当W1型光子晶体波导和纳米线波导间介质柱的半径为0.04μm时,对于1550nm波长的电磁波,缩束器的通光效率可达93.4%,压缩比为16.08,出射光束半峰全宽仅为0.148μm。     

基于光子晶体的物质的量浓度测量研究

利用平面波展开法对二维光子晶体在H极化下的光子带隙进行数值计算。考虑了溶液温度和物质的量浓度对光子带隙的影响。结果表明,以半乳糖和木糖的水溶液作为空气孔中介质材料,当溶液物质的量浓度一定时,光子带隙随溶液温度的变化而改变;而当溶液温度一定时,光子带隙随溶液物质的量浓度发生变化。较高物质的量浓度和较高温度的溶液更容易形成光子带隙。在某些情况下,木糖的光子带隙大于半乳糖的光子带隙。