二维介质柱光子晶体波导吸收边界条件

设计优化了用于截断二维正方格子介质柱光子晶体波导的分布布拉格反射波导的结构.二维时域有限差分数值模拟结果显示，在上述两种波导联接处的反射系数可以在大部分光子晶体波导导波的频谱范围内降到1％以下.将这种分布布拉格反射波导和通常的吸收边界条件相结合可以构成用于光子晶体波导的吸收边界条件，其反射率可以降低到-40dB以下，吸收层的厚度可取为晶格长度的1.3倍. 关键词： 吸收边界条件 光子晶体波导 时域有限差分     

二维平板光子晶体直波导的制备和光传输特性的测量

利用聚焦离子束刻蚀的方法在SOI(silicon on insulator)基片上制备了W3型二维光子晶体直波导.观察并测量了近红外激光通过光子晶体波导的散射图形和透过谱.实验结果说明，激光在有引入引出脊形波导的光子晶体直波导中具有很好的传输特性. 关键词： 光子晶体波导 光子带隙 脊型波导     

含Kerr介质二维光子晶体波导传输特性的NFDTD分析

利用非线性时域有限差分法(NFDTD)理论,导出了含Kerr介质的二维NFDTD算法的离散表达式,并对含Kerr介质点缺陷的二维光子晶体波导传输特性进行了分析,得到了相应的透射频谱和光场分布图.研究发现,对于输入该波导的归一化频率为0.419的光信号,当入射光强小于2.8×104W/m2时,信号几乎不能通过;当入射光强大于2.5×106W/m2时,信号能通过.这些结果将有助于光子晶体光限幅、光开关等器件的设计.     

部分空气桥式硅膜二维光子晶体

描述在Si基底上制备带隙在近红外波段部分空气桥式二维光子晶体（PC）.选用HF酸溶液作为腐蚀液，利用聚焦离子束刻蚀技术直接刻蚀出具有三角形空气洞结构的二维PC，并测出了二维PC完整的第一带隙透过谱的带隙范围为123—155μm.实验测得的透过谱与理论计算的空气桥式二维PC的计算结果一致.类TM0模的存在减小了带隙的宽度.由于部分SiO2支撑桥式平板，二维PC易于按所需尺寸进行制备.同时，通过改变平板下的支撑材料，可以制出有源的PC，利用这种机理可以把光从支撑材料中引出. 关键词： 二维光子晶体 带隙 平板波导     

二维三角柱光子晶体的传输特性

利用时域有限差分方法对二维三角介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,计算了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同、入射波入射方向不同时光子晶体的传输特性。结果表明:光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,三角晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角在一定范围内对光子禁带有重要影响;对不同入射方向时光子晶体的传输特性的研究结果表明,在低频范围内,入射角对禁带宽度和中心频率没有任何影响,在高频段,透射率随入射角变大而降低。研究结果为实验上制作三角柱光子晶体器件提供了重要的理论依据。     

二维光子晶体T型波导分支器数值模拟研究

采用平面波展开法和时域有限差分法,对GaAs二维正方晶格光子晶体的色散特性和带隙结构进行了数值模拟研究,并对GaAs二维光子晶体线缺陷构成的T型波导分支器的微波传输特性进行了模拟和优化。数值模拟结果表明,光子晶体填充比对带隙结构有显著地影响。通过在拐角处插入额外的电介质棒对GaAs二维正方光子晶体T型波导分支器进行优化,数值模拟的结果表明,优化的GaAs二维正方光子晶体T型波导分支器在一阶带隙范围内透射系数将提高到0.96以上。     

光子晶体波导的设计与特性

设计了Y型和回型二维光子晶体波导,基于时域有限差分法模拟了传输特性,并得出Y型结构对应的TE模、TM模的带隙结构。为此可以根据具体情况设计满足不同要求的波导结构。     

用转移矩阵法数值研究二维正方介质柱光子晶体的传输特性

利用转移矩阵方法对二维正方介质柱光子晶体的传输特性进行了研究,数值计算研究了不同晶格、同一晶格柱体截面面积不同、放置方位角不同时光子晶体的传输特性。数值结果表明光子禁带的宽度与中心频率和晶格结构有很大关系,正方晶格更易形成平坦光子禁带,柱体截面面积大,则形成的禁带较宽,在其他因素相同的条件下柱体放置的方位角对光子禁带有重要影响。数值研究表明在正方介质柱下设计宽平坦光子禁带时,可以首先考虑正方晶格结构,其次设法使柱体截面尽量大一些,最后可通过柱体放置方位角来微调光子禁带的宽度与中心频率以达到设计要求。     

二维三角晶格光子晶体波导的辐射特性

利用二维三角晶格光子晶体,设计了一种能够提高波导辐射效率的光子晶体结构。通过在单波导出口端级联一耦合波导列的方式形成一种复合式结构,利用时域有限差分法研究了该结构的光辐射特性。结果表明,采用级联波导列的结构能有效提高光辐射效率。进一步对器件进行了优化,使级联波导列与单波导之间的距离为1.8a,波导列横向和纵向的周期数分别为6和5,辐射效率可达到最大值,在辐射距离为100a处,辐射功率可达到20%以上。该类型光子晶体器件在近场光学和集成光学等方面有潜在的应用价值。     

光子晶体的带隙破缺随插入介质层变化规律的研究

采用文中图1所示的一维光子晶体的缺陷模,应用光学传输矩阵法,证明了由光子晶体的缺陷结构引起的光子禁带破缺,得出:"f"(禁带破缺处对应的入射光频率)随"nc"(插入介质层的折射率)的增加线性下降,数值模拟了它们的几何图形.并根据f-nc的对应关系提出了一种测量介质折射率的方法.     

Numerical Analysis of Coupling between Two-Dimensional Conventional Dielectric Waveguides and Photonic Crystal Waveguide

A problem of coupling between conventional dielectric waveguides and a two-dimensional photonic crystal waveguide is analyzed, using the Fourier series expansion method combined with the absorbing boundary condition of a perfectly matched layer (PML). A novel structure for the input and output ends of the photonic crystal waveguide is proposed to increase the coupling efficiency. Numerical examples are demonstrated and discussed to validate the effectiveness of the proposed structure.     

全矢量有限元模型及其在光波导中的应用

为了研究光波导和光子晶体光纤的模式特性和传输特性,从矢量波动方程出发,推导出了各向异性介质中场微分方程复数泛函表达式,利用棱边/节点混合元离散了该泛函,加入了各向异性介质匹配层边界条件,得到关于传播常量的广义特征值方程.以矩形波导为例,对各向异性介质匹配层边界条件的吸收特性进行了研究,得到了基模以及几个高阶模的场分布、色散曲线和损耗曲线.结果表明该方法可靠有效.对正六边形晶格光子晶体光纤进行了分析.数据表明：光纤有效折射率随空气孔直径或波长的增大而减小,但与空气孔圈数无关;光纤限制损耗(confinement loss)随波长增大近似成指数增大,而增加空气孔直径或者空气孔圈数则可使之显著降低.     

构成谐振腔的光子晶体端面反射镜的设计

研究了光子晶体作为谐振腔端面反射镜的应用.利用有效折射率法和2D PWE以及2D FDTD方法结合对构成谐振腔的两个端面反射镜进行了设计,得到左端面反射镜的最佳光子晶体晶格周期数为11×11,而右端面反射镜的最佳光子晶体晶格周期数为3×11,这为实验工作提供了良好的理论依据.     

具有缺陷结构的三角形二维光子晶体结构参量对本征模的影响

通过有限元数值计算得到并图示了具有缺陷结构三角形二维光子晶体本征频率和介质柱半径、晶格常量以及介质柱介电常量之间的关系.利用这些关系可以在一定的范围内增大介质柱半径而相应减小介质柱介电常量,而本征频率基本保持不变.由于光子晶体结构参量的不同,本征模对应的电磁场在晶体中的分布也不同,图示了电场强度的大小在一些结构中的分布.由此可以掌握光子晶体结构参量对缺陷本征模的影响.     

圆环杆与平板连杆的适合光路集成的二维正方晶格光子晶体

提出了一种基于圆环杆与平板连杆的二维正方晶格光子晶体结构,讨论了绝对禁带的计算过程和各参数对绝对禁带宽度的影响.通过平面波展开法结合逐次逼近方法发现其最大绝对禁带相对值达到19.026％,比采用圆柱杆和平板连杆结构的二维正方晶格光子晶体以及采用圆环杆但无连杆的二维正方晶格光子晶体的最大绝对禁带相对值分别提高10.181％和712.035 9％;圆环杆的外径、圆环的相对厚度以及连杆的宽度都存在一个最佳值,且连杆宽度对绝对禁带相对值的影响比较敏感.     

超微光子晶体多模干涉型滤波器的设计与优化

根据对称入射时的自映像原理,设计了一种基于光子晶体多模波导的超微滤波器,对于进入该种器件的1.31 μm和1.55 μm两种通信波长的光信号,能够在通过一种波长的同时,对另一种波长进行阻隔,整个器件的长度不超过15 μm.讨论了该滤波器的输出效率,并通过调整位于单模波导与多模波导联结处的介电柱位置对结构进行优化.优化后的结构具有高的输出效率和较宽的带宽.时域有限差分法的模拟结果表明该器件是可行的.     

二维光子晶体层状超晶格透射特性研究

把平面波展开法(Plane Wave Expansion Method,PWM)用于数值研究圆柱柱体粗细及折射率层状间隔构成的二维光子晶体超晶格的传输特性.数值结果表明,层状超晶格的透射谱中禁带宽度在柱体折射率相同时与粗细柱体半径差异成线性关系,半径相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.在半径相同时禁带宽度与层间折射率差异同样成线性关系,折射率相差越大禁带宽度越小,禁带中心位置越向低频方向移动.因此人们可以根据实际应用中的禁带需要利用上述各种可调因素进行调节.     

斜入射角对二维正方形光子晶体带隙的影响

利用平面波法导出了光子晶体本征方程的矩阵形式,以此为基础计算了二维空气孔型正方形光子晶体在正入射时及斜入射时的带结构,并将带结构中混杂在一起的TE波和TM波的模式分离开来以分析斜入射角对带结构的影响.计算结果显示用电场E表示和用磁场H表示计算出来的结果完全一样,与电磁场是相互统一的结论完全吻合.研究还发现,TE波和TM波的第一带隙是完全分开的.随着波矢k的倾斜角度的增大,TE波的第一带隙逐渐减小并在波矢在（－1,0,1）平面内时完全消失.而TM波的带结构则随着波矢k的倾斜角的增大而变得平坦,带隙也是先随之增大,后又逐渐变小直至消失.     

单光子晶体界面介质波导中的慢光效应

研究了单光子晶体界面介质波导中的慢光效应.芯层-空气层界面的全内反射效应以及光子晶体基底的禁带效应共同形成了对光场能量的横向约束.用基于超元胞的平面波展开法计算得到了导模色散曲线,并据此对其色散、群速以及群速色散性质做了详尽分析.由于利用了色散曲线慢光区域内拐点附近低群速色散的部分,该单光子晶体界面介质波导具有良好的慢光特性.对两个不同导模计算得到的平均群速分别为c/98和c/376,可用相对频带宽度分别达到2.1×10-3和4.1×10-4.另外,该慢光结构可以侧向耦合的方式克服光子晶体慢光波导耦合困难的缺点.     

用级联缓变结构实现光子晶体波导和传统波导的耦合

为了提高光子晶体波导与传统介质波导的耦合效率,设计了级联缓变结构.先将传统介质波导中的光耦合进尺寸相当的光子晶体W5波导中,然后W5波导中的光被耦合进尺寸较小些的W3波导中,最后光被耦合进尺寸最小的W1波导.各级波导之间由半径逐渐增大的空气孔连接,空气孔半径逐渐变化相当于波导有效折射率在变化,所以各级波导可以看作是被折射率缓变结构连接起来.由于折射率的缓变,使得光从前一级波导耦合进相邻的后一级波导时反射很小,从而能有效地提高耦合效率.数值计算表明,在光子晶体禁带范围内,除了波导有限长度和波导微小禁带造成的微小不通带外,耦合系数一般能达80%左右,最高可达到95%.