High-Dimensional Nonlinear Envelope Equations and Nonlinear Localized Excitations in Photonic Crystals

We investigate the nonlinear localized structures of optical pulses propagating in a one-dimensional photonic crystal with a quadratic nonlinearity. Using a method of multiple scales we show that the nonlinear evolution of a wave packet, formed by the superposition of short-wavelength excitations, and long-wavelength mean fields, generated by the self-interaction of the wave packet, are governed by a set of coupled high-dimensional nonlinear envelope equations, which can be reduced to Davey-Stewartson equations and thus support dromionlike high-dimensional nonlinear excitations in the system.     

含Kerr非线性的一维光子晶体中的类孤子

研究了含Kerr非线性的一维光子晶体中的类孤子。计算了光子晶体中加入Kerr非线性材料后,类孤子和入射光强、Kerr系数以及线性势阱的关系。随着线性势阱的降低,对应于在线性带隙中开始出现类孤子本征模所需要的最小入射强度也降低,即降低了非线性阈值;尽管非线性是产生类孤子的根本原因,但非线性系数对产生类孤子及孤子环中环的影响不如线性势阱高度的影响显著。     

具有非线性缺陷的光子晶体的局域模

采用传输矩阵的方法，严格导出一维具有克尔非线性缺陷的光子晶体的局域模频率方程。局域模频率依赖于局域光强。取负克尔系数时，随着局域光强的增加，局域模频率从下带边出现，在带隙间上升，最后消失在上带边。在给定人射光频率下，随着人射光强的变化，系统呈现出双稳态。这种光学稳态性质则由局域模频率的移动引起的。     

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.     

一维无序结构光子晶体的能带特性研究

通过引入结构参数a，深入研究了具有无序结构的一维二元光子晶体的能带特性。研究发现，无序结构有效拓宽了光子带隙，与均匀结构相比，拓宽率达到200％以上；无序一维光子晶体表现出从可见到红外很宽区域的高反射特性。本文还计算和分析了入射角和无序度D对光子晶体带隙的影响。     

利用一维电介质和磁光子晶体设计宽带全方向全反镜

研究了基于一维电介质-磁光子晶体的全方向全反射镜（简称全反镜）。利用传输矩阵法分析了全反镜的传输特性。为了获得宽频带全反镜,利用十进制遗传算法优化全反镜的结构参数,即层厚度系数与周期数。设计过程逐步详细阐述。计算结果指出,随着参加优化的变量（厚度系数和周期数）数增多,全反带更宽,薄膜层数更少、结构总厚度更薄。最后得到了一个宽带全反镜 (0.255A0.255B)5(0.169A0.066B)8,其带宽可达1.34ω0,而薄膜层数大幅降为26层,总厚度仅为1.8634λ0,结构也非常简单。     

Broad Stopband Characteristic of Dielectric Chiral Photonic Crystals

In this paper, a novel chiral photonic crystal structure is presented. The formula of reflection coefficient of multi-layer chiral media is applied to dielectric-chiral photonic crystal structure, which is composed of thin chiral layers sandwiched by conventional media. To compare with previous literature, we consider the dielectric structure with alternate glass and GaAs layers. The power reflectance as a function of wavelength for this photonic crystal structure has been calculated. The results are in good agreement with that of Reference. However, our method is simpler. From these graphs, it is found that 100% reflectance is only in finite wavelength ranges, and reflection bandwidth is also small for conventional photonic crystal structure. For chiral photonic crystal, the results show that the chiral photonic band gap (PBG) structure gives nearly 100% reflections in the near-infrared region in addition to some parts of the visible region of the wavelengths. Therefore, it can be used as a broadband reflector and filter.     

用于短波段发光二极管的二维光子晶体禁带研究

运用平面波展开法(PWE),针对光子晶体在短波长段发光二极管(LED)领域上的应用,主要选择高频禁带模式,研究了4种具有较大应用潜力的二维光子晶体结构,包括正方空气柱结构、三角空气柱结构、正方介质柱结构和三角介质柱结构。在不同晶格常数、占空比(AFF)、柱半径和晶格常数比下,分析了TE模式和TM模式光子禁带的变化。数据分析表明,光子禁带中心波长随AFF增加而变小。相比于其他结构,正方介质柱结构更适于短波段光子晶体LED来提高其出光效率,三角介质柱结构和三角空气柱结构适合用于构造短波段偏振光LED。     

Raman Scattering in Three-Dimensional Photonic Crystals

The optical properties of three-dimensional photonic crystals associated with the form of reflection spectra from their surface (appearance of a forbidden gap in the energy spectrum) and with the specific features of Raman scattering are analyzed. Idealized models of the energy band structure of photonic crystals are studied. Expressions for the group velocity of photons with energy close to the forbidden gap are derived. Experimental results on the Raman scattering in photonic crystals based on artificial opal as well as in fused silica are discussed. Bands due to quantum-size effects (presence of nanoclusters in fused silica and nanoglobules forming the lattice of globular photonic crystals) were manifested in the spectra of inelastic light scattering. It is proposed to use photonic crystals for the creation of sensitive sensors of organic and inorganic substances using modern Raman techniques.     

含复合缺陷层的光子晶体的光学特性

运用传输矩阵法研究了在一维光子晶体中插入缺陷层的透光特性。在无缺陷层的一维光子晶体中能产生467~510 nm、1 279~1 715 nm两处明显的光子带隙。重点研究了插入缺陷层后,在1 279~1 715 nm的光子带隙中缺陷层厚度和入射角度大小分别与透射光谱变化的关系。研究发现：缺陷模的位置对入射角变化很敏感;出现缺陷模的数量和插入缺陷层的数量相同;一维光子晶体厚度的增大不会改变缺陷模的数量和位置,只改变透射峰的宽度和透射率。     

池厚对SiO2胶体光子带隙的影响

在薄池中，胶体晶体生长的速度比在厚池中快而且质量好。不同分散度的小球自排的实验结果表明：较差分散度的SiO2小球在超薄池中也能形成质量较好的单昌。光子带隙波长在薄池中有明显的红移，池厚为0.07mm的胶体单晶的带隙波长比池厚为1mm的胶体单晶的带隙波长红移了24nm。     

光子晶体四信道波分复用器的研究

提出了一种由2-D光子晶体构成的四信道波分复用系统。该系统包括利用光子晶体的线缺陷实现的波导部分和利用光子晶体微腔实现的频率选择部分。采用时域有限差分(FDTD)方法,研究了光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性,并给出了仿真结果。计算结果表明,该结构可以实现波长为λ=1550nm附近的四信道波分复用。     

高质量三维光子晶体的制备及其透射谱研究

设计了简易的压强可控自组装实验装置,制备了由直径为260 nm的聚苯乙烯(PS)胶体球组成的面心立方光子晶体.分析了压强的变化对光子禁带(PBG)深度及光子带隙边缘(PBE)坡度的影响,确定了合适的压强生长环境(P=5999.5 Pa).利用该实验装置,还进行了光子晶体的小批量制备,一次性制得了三块光子晶体,并从不同角度对每一块光子晶体的透射谱及不同光子晶体的透射谱进行了测量.同一光子晶体不同位置透射谱的重合、同一批次制备的不同光子晶体透射谱的一致性及光子禁带两侧的Fabry-Pérot振荡等均说明:该装置制备的光子晶体在大区域、大面积上是高度有序、均一和平整的;利用该实验装置进行光子晶体的小批量制备是可行的.     

二维光子晶体中Grover搜索算法的实现

最近,Angelakis等人将光子晶体引入量子计算。本文主要讨论在二维光子晶体中两比特Grover搜索算法的实现。沿用由Angelakis等所提出的量子比特与可控相位门,简单有效的实现了Grover算法。具体的实现方案文中将详细讨论。     

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。     

一维光子晶体反常折射的数值分析

分析了一维光子晶体中产生反常折射的原因,根据波向量图对光在其中传播的方式做了定性的分析.根据一维光子晶体中具有波频率与波向量之间明确解析表达式的特点,指出利用此关系式能方便地对光在其中的传播方式进行深入的分析.利用这种方法,文中分析了光在其中传播的一些性质.指出光的偏移性质与角度和频率密切相关.     

光子晶体光纤的正交函数模型

提出了一种用于分析光子晶体光纤的正交函数模型。采用一种新型超格子的构造方法,将光子晶体光纤的横向介电常量表示为两种周期性结构叠加。将横向电场以厄密一高斯函数展开,利用正交函数的性质,将全矢量波动方程转化为矩阵本征值问题,求解本征值问题可得到模式的传输常量及模场分布。利用此模型举例讨论了椭圆孔三角格子光子晶体光纤的模场分布和偏振特性以及三角格子光子晶体光纤的色散特性和有效面积等传输特性。作为一种普适的模型,此方法还可适用于四方结构、蜂窝结构及椭圆孔等多种结构光子晶体光纤。     

含有多缺陷的一维光子晶体的完全透射及应用

计算了具有多缺陷且相对中间缺陷具有镜像对称结构的一维光子晶体的透射谱。在光子晶体的禁带中得到了多个完全透射峰且对称性地分布于禁带中心频率两侧。缺陷相距较近时，禁带中心不存在透射峰。所有透射峰都敏感地依赖于中间缺陷的折射率。     

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。     

Second Harmonic Generation in 1D Nonlinear Plasma Photonic Crystals

In this paper, a 1D nonlinear plasma photonic crystal (NPPC) structure composed of polarized ferroelectric crystals and nonlinear plasma periodic alternation is proposed. The transfer matrix method is employed to analyze the second harmonic generation (SHG) problem of this structure. In the designed NPPCs, the fundamental wave (FW) operates in the gigahertz (GHz) band and the nonlinear plasma is controlled by an external high-intensity control wave (CW). Numerical simulations are performed to investigate the effects of different incident angles and external CW intensities on the total conversion efficiency (T-con) of the second harmonic wave (SHW). Additionally, the internal electric field distribution and incident light intensity within the nonlinear structure are analyzed. The importance of the relationship between the FW frequency and photonic band gap (PBG) in enhancing SHG is summarized. The results demonstrate that the optimal structure can be obtained by changing the structural parameters, such that the FW and SHW are tuned to the edge of the PBG. At this point, the electromagnetic field density is large, the group velocity is small, the local field is enhanced, and the nonlinear optical interaction is increased, resulting in a significant increase in the T-con of the SHW.