利用Padé近似理论分析光子晶体微腔结构

利用数学Padé近似理论和时域有限差分(FDTD)方法作为一种谱分析手段,研究了几种具有对称性的光子晶体微腔结构,用较短的时间序列计算得到很高的谱分辨率和精度,通过分析光子晶体微腔的缺陷模式,得到了品质因子高达10~6量级的光子晶体微腔结构,为优选光子晶体材料,提高激光器的功率转换效率提供了一定的理论依据。     

光子晶体的微腔特性

为了设计一种高品质因子的光子晶体微腔和研究单缺陷光子晶体微腔谐振模波长随晶格常数的变化规律,使用时域有限差分法(difference time-domain method)和基于Baker算法的Padé近似方法计算了半导体材料上空气孔阵列光子晶体微腔的谐振模波长和品质因子.得到的新型光子晶体微腔的品质因子达246510,单缺陷光子晶体微腔模波长随晶格常数a和孔半径r的近似为线性变化关系:当孔半径r为一常数时,表现为晶格常数改变1nm,谐振波长变化约3nm,为实际制作光子晶体微腔激光器提供了理论指导.     

光子晶体的微腔特性

为了设计一种高品质因子的光子晶体微腔和研究单缺陷光子晶体微腔谐振模波长随晶格常数的变化规律,使用时域有限差分法(difference time-domain method)和基于Baker算法的Padé近似方法计算了半导体材料上空气孔阵列光子晶体微腔的谐振模波长和品质因子.得到的新型光子晶体微腔的品质因子达246510,单缺陷光子晶体微腔模波长随晶格常数a和孔半径r的近似为线性变化关系:当孔半径r为一常数时,表现为晶格常数改变1nm,谐振波长变化约3nm,为实际制作光子晶体微腔激光器提供了理论指导.     

光子晶体微腔发光二极管

光子晶体微腔因其具有增强自发辐射、定向输出和单模工作的能力而受到广泛关注。介绍了光子晶体微腔发光二极管的基本原理、设计、特性、制作及其典型器件。     

二维光子晶体耦合腔的多模双稳态光开关

利用时域有限差分数值模拟方法和耦合模理论分析方法,研究了Kerr型非线性二维光子晶体耦合腔结构中的光学双稳态开关。利用耦合模理论,分析了耦合腔结构的多模特性,以及对应本征态的局域强度分布特性,并讨论了在耦合腔结构中实现多模光学双稳态开关的原理。发现在二维耦合腔结构中,可以实现信号自泵浦和泵浦-信号两种类型的双稳态开关,且后者具有使泵浦和信号在频率和空间相分离的优点。利用非线性时域有限差分数值模拟方法,得到了高斯脉冲激励下的双稳态响应曲线。     

二维光子晶体波导微腔传输特性的研究

用时域有限差分(FDTD)法和快速傅里叶变换(FFT)方法计算了二维正方格子光子晶体的点缺陷的谐振频率,研究了点缺陷的半径和背景材料折射率的变化对谐振频率的影响.研究结果表明,谐振归一化频率随点缺陷的半径或背景材料折射率增大而减小,当点缺陷半径增大到0.45r时,谐振中心归一化频率为0.336,波导微腔传输系数最大为9...     

二维光子晶体波导和微腔缺陷态研究

利用二维三角晶格及正方晶格介质柱光子晶体TE偏振的禁带与介质柱半径的变化关系,分析了二维光子晶体缺陷态的分布.根据光子晶体波导间的耦合作用,计算其耦合长度设计合理的定向耦合器.通过分析波导与微腔的耦合特性,选取不同的传输方向,可以设计多种基于光子晶体波导与微腔耦合的波分复用系统.     

高效的光子晶体6-信道下载滤波器的设计

基于二维光子晶体波导与点缺陷微腔共振耦合原理,设计了一种利用共振微腔作为反射的6-信道下载滤波器.采用二维时域有限差分法对该结构器件的传输性能进行了模拟,结果表明该结构的滤波器能将主波导中的波分复用信号下载至与点缺陷频率共振的各分路波导中输出,信道波长间隔为20nm,传输谱中心波长误差小于±2nm,半宽度为3.4nm,具有良好的波长选择性.证实了加入共振反射微腔确实有效地提高了各个分路的下载效率,其效率在67%～98%之间.     

光子晶体缺陷腔品质因子的数值设计与优化

从品质因子的原始定义出发,得出了一种可编程的光子晶体缺陷腔品质因子的数值设计方案,基于三维时域有限差分法编写了该方案的计算软件,借助该模拟软件,计算了硅基二维四方晶体和三角晶体微腔的品质因子.结果表明,尽管四方晶体的带隙宽度比三角晶体窄,但能获得更高的品质因子,更有利于提高滤波分辨率和耦合效率.     

光子晶体二元缺陷微腔的光传输特性

构造和研究了光子晶体插入式二元缺陷和替代式二元缺陷微腔的光学传输特性,结果表明:随着二元缺陷自身周期数增大,微腔透射谱中分立缺陷模的数目增加,且替代式二元缺陷微腔分立缺陷模多于插入式二元缺陷微腔;随着缺陷高折射率介质厚度的增大,二元缺陷微腔的缺陷模向中间靠拢呈现简并趋势,同时禁带两侧出现多组双缺陷模,且高频一侧出现双缺陷模多于低频一侧,但替代式二元缺陷微腔出现的双缺陷模数目多于插入式二元缺陷微腔;随着缺陷低折射率介质厚度增大,插入式二元缺陷微腔的缺陷模向低频方向移动同时呈现耦合分开趋势,且透射率逐渐降低,而替代式二元缺陷微腔的缺陷模则向中间靠拢呈现简并趋势,同时缺陷模整体向高频方向缓慢移动,而透射率保持100%不变。光子晶体二元缺陷微腔的光传输特性为光学滤波器、光学开关和激光器等的设计提供了参考。     

Design of a photonic crystal microcavity for biosensing

We have designed an air-bridged PhC microcavity with high sensitivity and a high quality factor.The structure parameters of the microcavity are optimized by three-dimensional finite-difference time-domain method. We compare the performance of a silicon-on-insulator PhC microcavity and an air-bridged PhC microcavity,and analyze the effect of the thickness of the slab and the radius of the defect hole on the performance of the air-bridged PhC microcavity.For a thinner slab and a larger defect hole,the sensitivity is higher while the quality factor is lower.For the air-bridged photonic crystal slab,the sensitivity can reach 320-nm/RIU(refractive index unit) while the quality factor keeps a relatively high value of 120 by selecting the proper slab thickness and the defect hole radius,respectively,when the refractive index is 1.33.This is meaningful for low-detection-limit biosensing.     

一维光子晶体非线性微腔的缺陷模和双稳态

为了了解一维光子晶体布喇格非线性微腔产生的缺陷模和双稳态特性,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了缺陷层厚度变化和布喇格镜准周期性对缺陷模和双稳态的影响。研究结果表明,缺陷层厚度增大和折射率递增时,均可使缺陷模向低频方向移动,即布喇格腔共振模红移,因此,只要较小的入射光强就可使腔共振模红移到入射光模而产生阈值较低的双稳态,数值计算与理论分析是一致的。这对光子晶体微腔的设计有一定的意义。     

Study of whispering-gallery-mode in a photonic crystal microcavity

The whispering-gallery-mode (WGM) photonic crystal microcavity can be potentially used for miniaturized photonic devices, such as thresholdless lasers. In this paper, we use plane wave expansion (PWE) method and study the WGM of H2 photonic crystal microcavities which are formed by removing seven center air holes in a photonic crystal. The WGM in these large-size cavities has some advantages compared with single defect WGM in the view of real device applications. We analyze the nearby air hole e...     

光子晶体的吸收对光子晶体滤波器设计的影响

引入复折射率并利用特征矩阵法,研究了光子晶体的吸收对滤波通道峰值和半高宽的影响.得出:滤波通道的峰值随光子晶体的消光系数增加而迅速减小.滤波通道的半高宽随消光系数增加而增大.滤波通道的峰值和半高宽都随有吸收的光子晶体的周期数增加而迅速减小.设计光子晶体滤波器时,应选择消光系数尽可能小的材料,并且光子晶体的周期数不宜大.     

一维磁流体掺杂光子晶体缺陷模的磁控可调特性

磁流体的有效介电常数 与磁性粒子体积分数P和外加磁场因子 有关。本文首先计算了水基MnFe2O4磁流体的有效折射率随纳米磁性粒子体积分数P和外加磁场强度因子 的变化关系,发现通过调节外加磁场因子 的大小可实现不同纳米磁性粒子体积分数P的磁流体具有相同的有效折射率。然后,应用传输矩阵法,数值模拟了水基MnFe2O4磁流体中的纳米磁性粒子体积分数P=0.745时结构为(AB)8C(BA)8的一维磁流体掺杂光子晶体的透射谱。结果表明：缺陷模随着磁流体有效折射率nc的增大出现红移现象,即缺陷模中心波长随着随有效折射率nc的增大而变长,最大改变量为36.6nm。最后讨论了缺陷模品质因子 ,发现缺陷模半峰值带宽 不变,缺陷模品质因子 与缺陷模波长 随磁流体有效折射率nc的变化具有相同的线性变化特性,即品质因子 随有效折射率nc的增大而增大。     

一种可用于化学传感的对角对称光子晶体光纤设计

本文提出了一种可用于化学传感的具有高双折射、低损耗的光子晶体光纤,并系统地分析了空气孔参数对光纤光学特性的影响.研究表明,最优结构的光纤在典型波长1.55μm时对水、乙醇和苯的相对灵敏度分别可达56.3％、59.9％和62.5％,相比现有光子晶体光纤分别提高1.05～6.25倍、1.05～4.99倍和1.03～4.63...     

一维平板掺杂光子晶体的滤波特性

利用电磁波在一维平板掺杂光子晶体中横向受限的条件,推导出电磁波在一维平板掺杂光子晶体中各个模式满足的关系式。研究了TE波和TM波各模式的缺陷模随模式量子数和杂质光学厚度的变化规律。利用缺陷模随模式量子数的变化规律可以实现多通道滤波,利用缺陷模随杂质光学厚度的变化规律可以实现调谐滤波。     

平板掺杂光子晶体中电磁波的缺陷模

为了研究1维平板掺杂光子晶体中电磁波的模式及其缺陷模特性,推导出1维平板掺杂光子晶体中电磁波的各个模式满足的条件,利用特征矩阵法计算出TE波和TM波各模式的缺陷模随模式量子数和平板厚度的变化规律,得出了一些不同于1维非受限掺杂光子晶体缺陷模的新特征。结果表明,电磁波的模式由模式量子数确定,缺陷模与模式量子数和平板厚度有关。     

含负折射率介质布拉格微腔的缺陷模

研究了由正和负两种折射率介质交替排列构成的一维光子晶体布拉格微腔的透射谱和缺陷模性质,并将传输矩阵各矩阵元在中心频率附近采用泰勒展开并取一级近似,得到了中心频率附近缺陷模的透射率公式和品质因子公式。研究结果表明:一级近似法能很好地解释由于缺陷层厚度变化而引起的中心频率附近缺陷模频率变化的规律,缺陷模品质因子公式与数值计算结果十分吻合;处于中心频率处的缺陷模具有较高的品质因子,增大缺陷层厚度和布拉格镜周期数可提高缺陷模的品质因子。     

一维缺陷光子晶体多个禁带中的窄带缺陷模

用特征矩阵法研究了一维缺陷光子晶体的透射谱。结果发现:在一维缺陷光子晶体的透射谱中的多个禁带内都有窄带缺陷模,窄带缺陷模的波长越大,其宽度越大;当入射角增大后,波长越长的窄带缺陷模的强度变化越小,位置向短波方向移动越多,且S偏振光与P偏振光的窄带缺陷模的分离越大;增大一维缺陷光子晶体中周期性介质的厚度,窄带缺陷模的波长和移动的范围都增大。本研究对一维缺陷光子晶体的窄带缺陷模的选择使用具有重要意义。