光子晶体对nc-Ge/Si岛发光增强的模拟

在Si基集成光电子学的发展中,高效的Si基光源是人们不懈追求的目标。但是Si材料的间接带隙特性导致其发光效率低,更谈不上受激发射。于是人们探索了多种Si基材料体系来提高Si材料的发光效率,并在不同程度上取得了重要的进展。在众多的Si基发光材料体系中,Ge/Si量子点材料,不仅生长工艺与标准的CMOS工艺有很好的兼容性,而且发光波长能够覆盖重要的光通信波段即1.3~1.55μm,因此成为实现Si基发光器件的重要途径之一。但是目前这种材料的发光效率仍很低,所以提高其发光效率自然成为人们关注的焦点。如果将光子晶体引入到nc-Ge/Si材料中,它不仅可以改变材料本身的自发发射特性,而且可以改变发射的光子的提取效率,从而使材料的发光效率得到增强。提出了在Ge/Si量子点材料中引入光子晶体结构来提高其发光效率,包括光子晶体点缺陷腔结构和带边模式工作的完整光子晶体结构,并从理论上分析了发光效率提高的原理。针对发光波长在1.5μm附近的材料结构,模拟出了相应的光子晶体的结构参数。从模拟结果可以看出,对于缺陷腔的光子晶体结构,采用单点缺陷微腔很好地实现了单模运作,但是微腔内有源材料的体积很小,因此得到的发光效率很低。而采用耦合缺陷腔的结构和H₂腔都增加了腔内有源区的体积。但是耦合腔与H₂腔相比,谐振腔模减少,主谐振模式的峰值强度增加,更容易实现单模发光。因而更适用于提高nc-Ge/Si的发光效率。而带边模式工作的光子晶体结构,尺寸较大,不需引入缺陷,工艺上更容易实现。     

二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构进行研究,计算得出其色散图以及缺陷模分布.结果表明:缺陷模波长与微腔谐振波长基本吻合.利用FDTD模拟谐振波长波段的电磁波在光子晶体中传播的动态演化过程,并计算出局域模的空间分布图.最后在有规律地改变缺陷周围介质柱半径的情况下实现谐振中心波长的可调性.     

二维硅基平板光子晶体器件

硅材料在红外通讯波段具有低损耗和高折射率的特性,使得其成为集成光学领域中应用最广的材料之一.主要介绍了本课题组在二维硅基平板光子晶体中实现微纳尺度上光调控的研究进展,讨论了利用光子晶体的缺陷态实现各种集成光学器件,包括光子晶体波导、微腔和利用光子晶体波导和微腔形成的滤波器.还介绍了光子晶体中特殊的光折射现象,包括红外波...     

镜像对称缓变准周期结构一维光子晶体的缺陷模

利用传输矩阵方法,研究了镜像对称缓变准周期结构一维光子晶体的缺陷模。结果表明,当镜像对称缓变准周期结构一维光子晶体的周期数增加时,禁带宽度逐渐展宽;引入缺陷后,出现缺陷模,缺陷模的波长随缺陷层厚度增加和缺陷层介质折射率的增大而向长波方向移动。     

含奇异材料的掺杂一维光子晶体色散关系和空间局域度理论

给出了描述掺杂的一维光子晶体结构缺陷态的变化规律及其空间局域度特性的理论表达式.该式对由具有任意色散关系材料组成的、中间掺杂、两边对称的一维光子晶体结构均成立.通过研究含奇异材料的光子晶体组态发现，当缺陷层材料为右手材料时，光子带隙中缺陷态的频移方向随缺陷层厚度的增大而红移；当缺陷层材料是左手材料时，频移方向刚好相反，表现为蓝移.该缺陷态的空间局域度只与两边对称结构有关.两边对称结构含奇异材料的光子晶体的缺陷态比传统右手材料的结构具有更强的空间局域度.     

一维光子晶体缺陷模的偏振特性研究

利用周期结构的布洛赫定理推导了一维无限光子晶体缺陷模方程,研究了缺陷模的偏振特性,以及在不同入射角和缺陷层厚度下缺陷模位置的变化.利用传输矩阵方法对有限周期数光子晶体也进行了研究,分别对应一维无限光子晶体和有限周期数光子晶体给出了数值计算结果.通过比较这两者的数值结果得出了缺陷模随入射角和缺陷层厚度变化的一般规律.     

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     

二维点缺陷正方光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对由Al₂O₃介质棒在空气背景介质中构成含有点缺陷的二维正方光子晶体微腔结构进行研究,计算得出缺陷态能带以及缺陷态模场分布。缺陷模对应的电磁波波长为470~476nm。对该微腔结构的品质因数的求解,得出缺陷态光谱曲线。在光谱曲线中,随着传输波长的增大,将产生几个峰值,并且在475nm处的波动最为明显,反映出在475nm附近的电磁波段在缺陷处的光强较大。进一步利用全矢量等效折射率法研究该结构缺陷模频率的稳定性,得出等效折射率的变化曲线。从等效折射率变化曲线可以看出,当传输波长达到475nm时,该结构已经达到稳定传输的区域。含缺陷模的二维光子晶体微腔结构在光子晶体发光二极管以及高阈值半导体激光器等方面有着重要的应用价值。     

基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器

设计了一种基于纳米线波导和一维光子晶体纳米梁腔的模分-波分混合解复用器,该器件由波分解复用(WDM)和模分解复用(MDM)两部分组成.其中,波分解复用部分由两个一维光子晶体纳米梁腔构成,模分解复用部分采用硅基纳米线波导结构.利用三维时域有限差分法,计算分析了该混合解复用器的性能参数.结果 表明,该器件可以在波长1570...     

一种新型缺陷模迁移光子晶体全光开关设计

提出了一种新型缺陷位移光子晶体全光开关.基质光子晶体通过在硅介质上构造三角形周期排列的空气孔形成,同时引入线缺陷和点缺陷,获得了一种具有高品质缺陷模的光子晶体点、线混合缺陷结构.在此基础上,通过点缺陷处填充克尔型非线性光学介质-有机聚合物含对甲苯磺酸取代基的聚二乙炔(PDA-PTS),调节控制光使缺陷模发生动态迁移,从...     

Band rules for the frequency spectra of three kinds of aperiodic photonic crystals with negative refractive index materials

By means of the theory of electromagnetic wave propagation and transfer matrix method, this paper investigates the band rules for the frequency spectra of three kinds of one-dimensional (1D) aperiodic photonic crystals (PCs), generalized Fibonacci GF(p,1), GF(1,2), and Thue--Morse (TM) PCs, with negative refractive index (NRI) materials. It is found that all of these PCs can open a broad zero-? gap, TM PC possesses the largest zero-? gap, and with the increase of p, the width of the zero-? gap for GF(p,1) PC becomes smaller. This characteristic is caused by the symmetry of the system and the open position of the zero-? gap. It is found that for GF(p,1) PCs, the possible limit zero-? gaps open at lower frequencies with the increase of p, but for GF(1,2) and TM PCs, their limit zero-? gaps open at the same frequency. Additionally, for the three bottom-bands, we find the interesting perfect self-similarities of the evolution structures with the increase of generation, and obtain the corresponding subband-number formulae. Based on 11 types of evolving manners Q_i(i=1,2,....,11) one can plot out the detailed evolution structures of the three kinds of aperiodic PCs for any generation.     

用不同密度分布的发光分子探测光子晶体的全态密度

单一原子（分子）的自发辐射衰变的动力学性质强烈地依赖于其在光子晶体中的位置及其辐射偶极矩与所处位置场的相对方向.测量单一原子（分子）的自发辐射衰变特性只能反映光子晶体的局域态密度特征，而不能反映光子晶体的全态密度特征.理论上研究发现，通过引入含不同密度分布的发光分子可以探测到光子晶体的全态密度的部分细节甚至全部信息.按来源首次将全态密度分为两个部分，证明了特定的发光分子分布可以完善地反映其中的一部分或者全部，这为解释、设计加速或抑制原子（分子）自发辐射的实验提供了有益的指导. 关键词： 光子晶体 自发辐射 态密度 密度分布     

Optical characteristics of one-dimensional photonic crystals composed of high-aspect-ratio Si walls fabricated on V-grooved wafer

We demonstrate optical properties of one-dimensional photonic crystals (PC), which are fabricated using high-aspect-ratio etching on a V-grooved silicon wafer. The measured transmission spectrum has an obvious band gap; the suppression is over 30 dB. The quite small insertion loss of 1.9 dB is achieved by induced coupled plasma (ICP) cryogenic etching and direct coupling to the optical fiber aligned in the V-groove. We also successfully observed peaks originating from a localized cavity mode. Such a microcavity enables control of the light, which qualifies photonic crystal as a fundamental structure of optical functional devices. These results lead to achievement of integrated Si-based photonic circuits.     

Large-scale photonic crystals with inserted defects and their optical properties

Deliberately introducing defects into photonic crystals is an important way to functionalize the photonic crystals. We prepare a special large-scale three-dimensional(3D) photonic crystal(PC) with designed defects by an easy and low-cost method. The defect layer consists of photoresist strips or air-core strips. Field emission scanning electron microscopy(FESEM) shows that the 3D PC is of good quality and the defect layer is uniform. Different defect states shown in the ultraviolet-visible spectra are induced by the photoresist strip layer and air-core strip layer. The special large-scale 3D PC can be tested for integrated optical circuits, and the defects can act as optical waveguides.     

可实现偏振无关单向传输的二维硅基环形孔光子晶体

基于光子晶体来构筑偏振无关光二极管在光电集成领域具有重大的应用价值.首先提出了一种环形孔光子晶体,能带结构显示其对横电及横磁模式同时展现出显著的方向带隙.以此构建了三角形状的环形孔光子晶体,利用时域有限差分法计算其透过谱及场分布图,发现该结构能实现偏振无关单向传输特性,然而正向透过率太低(约20%).进一步引入尺寸较小的三角形状的环形孔光子晶体构成光子晶体异质结结构,有效地提高了偏振无关单向传输性能,正向透过率增大了一倍.通过界面结构的调整,正向透过率进一步增大,优化后的环形孔光子晶体异质结结构能同时对类横电及类横磁模式入射光实现单向传输,且正向透过率达到了44%.     

Spatial and frequency domain effects of defects in 1D photonic crystal

The aim of this paper is to present the analysis of influence of defects in 1D photonic crystal (PC) on the density of states and simultaneously spontaneous emission, in both spatial and frequency domains. In our investigations we use an analytic model of 1D PC with defects. Our analysis reveals how presence of a defect causes a defect mode to appear. We show that a defect in 1D PC has local character, being negligible in regions of PC situated far from the defected elementary cell. We also analyze the effect of multiple defects, which lead to photonic band gap splitting.     

通信波段硅基气孔光子晶体的带隙特性及其物理模型研究

用平面波展开法对硅背景下的通信波段不同晶格类型和气孔形状光子晶体的能带结构进行数值计算与分析,提出了相应的物理模型.结果表明:利用光子受限效应和晶格对称性效应可以有效地调控光子带隙.随光子晶体填充率的增加,其约束光子的能力增强,光子带隙在一定范围内展宽且其中心频率蓝移;带隙随晶格对称性增加而变宽.对基元形状和旋转角度的研究发现,光子带隙随基元旋转角度变化具有周期性和对称性,表现出各向异性,由此优化出对应的不同晶格的最佳谐振腔型结构.     

异质结构对多通道滤波器禁带的展宽

采用光学传输矩阵法首次研究了掺有缺陷的一维三元异质结构光子晶体的传输特性。研究显示,三元异质结构光子晶体与三元周期结构光子晶体相比光子禁带显著扩大。在异质结构光子晶体中引入缺陷并调整缺陷的数目可以实现多通道滤波现象。本文主要讨论了在该结构产生一、二、三通道滤波现象。     

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。     

Photonic Band Gap in Two-Dimensional Anisotropic Photonic Crystal with Rectangular Bars

Photonic band gap (PBG) in two-dimensional (2D) anisotropic photonic crystal (PC) constructed of rectangular bars has been numerically studied by using Transfer Matrix Method (TMM). The results show that the PBG is bounded by the lower band edge of TE wave and the upper band edge of TM wave. Its width simply increases with increasing of shape parameter . It reaches a maximum value as the structure degenerates into its 1D counterpart, due to the complete overlapping of gaps in TE and TM waves. The anisotropy in PC structure results in the transmission anisotropic property. One can design the PBG structures in different incident directions to match their application demand.