光控液晶光子晶体微腔全光开关

设计了一种缺陷模迁移光子晶体微腔全光开关. 两条二维三角晶格空气孔光子晶体波导由一个光子晶体微腔连接, 在微腔的点缺陷中填充掺有少量偶氮聚合物的苯乙炔类液晶. 通过调节控制光的偏振态, 使偶氮聚合物发生顺-反异构化反应, 带动液晶分子重新取向, 从而改变光子晶体微腔的谐振波长, 进而实现光的通过与截止. 运用时域有限差分法和平面波展开法分析 了二维光控液晶光子晶体微腔全光开关的光学特性. 数值计算结果表明: 对于1.55 μ通信波段通过外界偏振光控制所填充的向列相液晶 的折射率可以实现对光波的导通与截止. 分析结果显示, 此开关具有阈值低, 消光比较大, 体积小等优点. 关键词： 二维光子晶体微腔 波导 时域有限差分(FDTD) 液晶     

高透射率慢光速的光子晶体耦合腔波导的研究

将二维三角晶格光子晶体波导和微腔结构结合,优化设计了一种二维三角晶格光子晶体共振耦合腔波导,运用时域有限差分法(FDTD)模拟共振耦合腔波导TE偏振光的透射谱,通过透射谱得到传输光的透射率和群速度。结果表明,合适参数的二维三角晶格共振耦合腔波导在波长1.551μm处的群速度为c/130、透射率为20.1%,在波长1.502μm处的群速度为c/50、透射率为29.2%。运用平面波展开法(PWE)计算的该波导的能带结构对慢光特性进行了分析。这种慢光特性的光子晶体波导将在光存储、光延迟及光子集成等方面有潜在的应用价值。     

二维GaAs 基光子晶体微腔的制作与光谱特性分析

研究了以InAs量子点为有源区的二维GaAs基光子晶体微腔的设计与制作,测试并分析了室温下微腔的光谱特性.观察到了波长约为1137 nm,谱线半高宽度约为1 nm的尖锐低阶谐振模式发光峰.我们比较了不同刻蚀条件下光子晶体微腔的发光谱线,结果表明空气孔洞截面的垂直度是影响光子晶体微腔发光特性的重要因素之一.通过调节干法刻蚀工艺,改变空气孔半径与晶格常数的比率,可以在较大范围内调节谐振模式发光峰位置,达到谐振模式与量子点发光峰调谐的目的.     

Woodpile结构三维光子晶体中的四端口通道下载滤波器

基于三维光子晶体空间完全带隙的特性,本文在实验上构建了一种由非共面的两个波导和一个立体微腔组成的四端口通道下载滤波器。讨论了球体、正方体、长方体微腔滤波器的选频特性,以及连续旋转长方体微腔时,其输出频率的变化。研究结果表明,无论是对称型还是非对称型微腔,都可以较好地实现选频。提高微腔的不对称性,共振输出频率随之发生移动,说明改变微腔的对称性,可以有效调节滤波器的选频特性。连续旋转非对称型长方体微腔,输出频率会随之发生明显的移动,如果引入有效调节机制,可以产生连续调节输出频率的效果。该研究结果给多端口选择性输出空间滤波器的设计提供了新的思路,为光学器件集成化的设计提供了重要的理论参考。     

High quality factors and room-temperature lasing in a modified single-defect photonic crystal cavity

We propose and analyze a new photonic crystal cavity design that supports a dipole mode with a quality factor greater than 20,000. Such a high quality factor is obtained by precise tuning of the cavity length with minimal disruption of the surrounding photonic crystal. A fabrication procedure based on dry etching of InGaAsP material in HI/H2/Ar is used to demonstrate photonic crystal lasers with smooth and straight sidewalls. These room-temperature lasers concentrate optical energy in air and are suitable for use as tunable lasers and chemical sensors.     

光子晶体方形谐振器波分解复用的特性

光通信系统设计中波分解复用器是分离光信号的一种关键部件,用于分离光信号的微型谐振器特性直接关系到波分复用(WDM,wavelength division multiplexing)解复用系统的工作性能。在二维光子晶体中逐步优化设计了基于光子晶体方形谐振器(PCSR,photonic crystal square resonator)的单信道WDM解复用结构,借助于耦合模理论(CMT,coupled-mode theory)定性分析了波导与谐振腔结构的电磁波耦合相互作用,并用时域有限差分法(FDTD,finite-difference time-domain)数值模拟了其结构工作特性。结果表明:基于PCSR设计的单输出端口WDM解复用结构在设计的参数范围中具有单谐振峰、中心波长宽调谐范围(1 501.4 nm~1 591.0 nm)、通带带宽窄(3.3 nm~9.1 nm)的特性。该结构可应用于WDM解复用光通信系统设计和光路集成设计等方面。     

Optical properties of metamaterial-based devices modulated by a liquid crystal

Due to the fact that it is possible to manipulate light with photonic crystals (PCs), PCs hold a great potential for designing new optical devices. There has been an increase in research on tuning the optical properties of PCs to design devices. We presented a numerical study of optical properties of metamaterial-based devices by liquid crystal infiltration. The plane wave expansion method and finite-difference time-domain method for both TE and TM modes revealed optical properties in photonic crystal structures in an air background for a square lattice. E7 type has been used as a nematic liquid crystal and SrTiO₃ as a ferroelectric material. We showed the possibility of the metamaterials for a two-dimensional photonic crystal cavity on a ferroelectric base infiltrated with a nematic liquid crystal.     

二维异质结光子晶体中含近邻点缺陷的弯曲波导的可调谐滤波特性

应用时域有限差分(FDTD)法,对光在二维异质结光子晶体中含两个近邻点缺陷直角弯曲波导的传输特性进行了数值模拟研究。计算结果表明,具有特定本征共振频率的光子晶体微腔(点缺陷),可将在其邻近波导中传播的相同频率成分的光波"引入"到微腔中。"引入"的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参量,从而能够实现调变"引入"频率。通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径,可分别实现约31 nm或12 nm的波长调谐范围。计算结果为光通信中的调谐、上/下载滤波器,提供了一条新的设计思路和依据。     

光子晶体垂直腔面发射激光器的电流分布研究

对氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器注入到有源区的电流密度分布进行了分析研究.提出三维电流分布计算模型,研究了光子晶体结构对电流密度分布和器件串联电阻的影响.研究发现,光子晶体孔刻蚀深度越深,电流分布圆对称性越差,引起的串联电阻越大.不同光子晶体图案对电流分布的均匀性和圆对称性也有很大的影响.该模型对于研究、设计氧化限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器提供了一个有用的分析方法.     

Optical circulators in two-dimensional magneto-optical photonic crystals

We propose an optical circulator formed of a magneto-optical cavity in a 2D photonic crystal. With spatially engineered magnetic domain structures, the cavity can be designed to support a pair of counterrotating states at different frequencies. By coupling the cavity to three waveguides, and by proper matching of the frequency split of the cavity modes with the coupling strength between the cavity and the waveguide, ideal three-port circulators with complete isolation and transmission can be created. We present a guideline for domain design needed to maximize the modal coupling and the operational bandwidth for any given magneto-optical constant.     

带多孔硅表面缺陷腔的半无限光子晶体Tamm态及其折射率传感机理

结合表面缺陷半无限光子晶体Tamm态与多孔硅光学传感机理,在光子晶体表面缺陷腔中引入多孔硅,并利用其高效的承载机制,提出基于多孔硅表面缺陷光子晶体Tamm态的折射率传感结构.在半无限光子晶体中缺陷腔与原来的周期性分层介质结构的界面上存在Tamm态,通过入射角度调制使其在缺陷腔中实现多次全反射,并在缺陷腔中加入吸收介质,使谐振波长在缺陷腔中完成衰荡,从而在反射谱中得到缺陷峰;调整光子晶体参数,使缺陷峰的半高全宽得到优化,提高其品质因数(Q值);在此基础上,根据Goos-H?nchen相位移与谐振波长的关系,建立由待测样本折射率改变所导致的多孔硅表面吸附层有效折射率变化与缺陷峰值波长漂移之间的关系模型,并分析其折射率传感特性.结果表明,此生物传感结构Q值为1429,灵敏度为546.67 nm/RIU,证明了该传感结构的有效性,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考.     

Microcavity filters based on hexagonal lattice 2-D photonic crystal structures embedded in ridge waveguides

Two-dimensionally periodic photonic crystal microcavity filters in a ridge waveguide format have been designed and fabricated. Transition mode-matching features were added to increase the optical throughput by more than a factor of two. An increase of Q-factor (more than 100%) was achieved by the addition of two further rows of photonic crystal holes to the microcavity filters. Attempts have also been made to tailor the filter response by applying design concepts used in other Bragg-grating optical filter technologies.     

含超导材料Cantor序列一维光子晶体的传输特性

利用传输矩阵法研究了按分形三分Cantor序列构成的一维超导光子晶体的传输特性。数值结果表明,与传统电介质材料构成的光子晶体的频谱不同,这种光子晶体频谱没有展现出自相似性。此外,当构成光子晶体的两种材料的光学厚度相同时,光子晶体的频谱具有明显的周期性,并且在光子带隙中间成对地出现缺陷模。这种特性可以用于设计通道滤波器。     

二维光子晶体全光异或门的设计及研究

分析了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的传输特性,将二维光子晶体波导、环形腔和马赫-曾德尔干涉仪有效结合,提出了一种基于二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪的异或门设计。用平面波展开法分析二维光子晶体能带结构,并用时域有限差分法验证光信号在该器件中的电场稳态分布。结果表明,该结构能够实现异或逻辑,且具有高逻辑对比度7.88 dB,快速响应周期0.388 ps和高传输速率7.87 Tbit/s;并且该器件结构尺寸仅为13 μm×14 μm,易于集成。该异或逻辑结构中引入了二维光子晶体马赫-曾德尔干涉仪,使得光子晶体逻辑门结构的设计更加多样,并为二维光子晶体半加器与全加器的设计提供了基础,具有重要的研究意义。     

氧化孔形状对光子晶体垂直腔面发射激光器模式的影响

用时域有限差分方法对氧化孔限制型外腔式光子晶体垂直腔面发射激光器 (VCSEL) 在小氧化孔下氧化孔形状对激光器模式特性的影响进行了模拟计算. 建立了三维光子晶体面发射激光器光场计算模型, 分析了氧化孔形状变化对器件远场特性与频率特性的影响. 研究发现, 氧化孔形状可影响光子晶体VCSEL的模式特性, 尤其是频谱特性. 从模场分布的角度可解释为菱形氧化孔的对称性与高阶模的不一致. 但随着光子晶体刻蚀深度的增加和氧化孔的增大, 这种影响逐渐减小, 分析解释了其原因. 研究结果为提高光子晶体面发射激光器的性能提供了参考.     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

基于光子晶体光纤中受激布里渊散射的光载波抑制

设计了一种基于光子晶体光纤中受激布里渊散射的载波滤波器.该滤波器利用两个环形器和一段光子晶体光纤构成了一个环形腔,这种腔结构有效地降低了光纤中受激布里渊散射的阈值.理论分析了光子晶体光纤载波滤波器对提高光调制深度和射频增益的影响.利用25 m的高非线性光子晶体光纤作为受激布里渊增益介质,当入射载波功率为70 mW时,微波光子信号的射频增益为5.38 dB,实验结果与理论计算相吻合.     

Physics and applications of photonic crystals

In this article, we investigate how the photonic band gaps and the variety of band dispersions of photonic crystals can be utilized for various applications and how they further give rise to completely novel optical phenomena. The enhancement of spontaneous emission through coupled cavity waveguides in a one-dimensional silicon nitride photonic microcrystal is investigated. We then present the highly directive radiation from sources embedded in two-dimensional photonic crystals. The manifestation of novel and intriguing optical properties of photonic crystals are exemplified experimentally by the negative refraction and the focusing of electromagnetic waves through a photonic crystal slab with subwavelength resolution.     

Optical switching and logic gates with hybrid plasmonic-photonic crystal nanobeam cavities

We propose a hybrid resonance architecture in which a plasmonic element is coupled to a silicon-on-insulator photonic crystal nanobeam cavity operating at telecom wavelengths. It benefits from the combined characteristics of the photonic cavity and the plasmonic element, and exploits the unique properties of Fano resonances resulting from interactions between the continuum and the localized cavity states. As confirmed through 3D time-domain simulations, a strong cavity mode damping by the plasmonic element offers mechanisms of controlling a probe signal propagating in the nanobeam. It makes possible to create optical switching devices and logic gates relying on any optical nonlinear effect.     

基于薄膜光子晶体超晶格理论的偏振带通滤波器

偏振带通滤波器在光通讯波分复用技术中有着特殊的应用.利用薄膜一维光子晶体超晶格概 念，提出了两种新的偏振带通滤波器的设计方法.第一种是基于两个一维光子晶体叠加的偏 振带通滤波器；第二种是在第一个光子晶体的中间插进第二个光子晶体，形成三个一维光子 晶体叠加的偏振带通滤波器.设计了性能优良的p偏振分量透射而s偏振分量反射的新型带通 滤波器.讨论了这种滤波器的通带特性和截止宽度. 关键词： 薄膜光子晶体 超晶格 偏振带通滤波器 波分复用系统