涂覆石墨烯的非对称并行电介质纳米线波导的模式特性分析

采用多级展开方法,对涂覆石墨烯的非对称并行电介质纳米线波导的模式特性进行了分析.首先对这种波导中的表面等离子模式进行分类,然后对七种低阶模式的有效折射率和传播长度随工作频率、几何结构参数和石墨烯费米能的依赖关系进行详细的分析.结果表明,通过改变工作频率、几何结构参数和石墨烯的费米能,可以在较大范围内调节模式的特性.与有限元法进行的对比表明,基于多级方法的半解析结果与有限元法的数值结果非常符合.研究结果可为涂覆石墨烯的非对称并行电介质纳米线的设计和制作提供一定的理论基础.     

涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质波导的模式特性

设计了一种涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质纳米线波导.采用多极方法得到了波导所支持的最低阶的3个模式的传输特性,即场分布、有效折射率的实部、传播长度和品质因数.结果显示:最低阶的3个模式都可由涂覆石墨烯的单根圆柱和椭圆柱所支持的最低阶模式合成.通过改变波导的结构参数,即圆柱的半径、椭圆柱半长轴、椭圆柱半短轴及两柱之间的最小间距,可以在一定程度上调节模式的传输性能.然而通过增大工作波长、费米能以及减小椭圆形电介质纳米线的介电常数,可以明显改善模式的传输性能.文中还与涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的圆形电介质纳米线波导进行比较,可以发现本文所设计的波导具有更优的传输性能.这些结果都得到了有限元方法的验证.本文设计的波导可以为涂覆石墨烯的嵌套偏心空心圆柱的椭圆形电介质纳米线波导的设计、制作及应用提供理论基础.     

基于涂覆石墨烯的三根电介质纳米线的THz波导的模式特性分析

研究了一种基于涂覆石墨烯的三根电介质纳米线的THz波导,采用多极方法对这种波导所支持的5种低阶模的有效折射率的实部和传播长度进行了解析分析.结果表明,通过改变工作频率、中间纳米线半径、纳米线之间的间距以及石墨烯的费米能,可以有效地调节波导的模式特性.当工作频率从30 THz增加到40 THz时,这些模式的有效折射率的实部增大,传播长度减小,并且在变化的过程中会出现交叉现象.当中间纳米线的半径从25 nm增加到75 nm时,除了模式3和模式4基本不受影响,其他模式有效折射率的实部增大,传播长度变化各不相同.当纳米线之间的间距从10 nm增加到50 nm时,除了模式3和模式4基本不受影响,其他模式有效折射率的实部减小,传播长度增大,并且在变化的过程中会出现交叉现象.当石墨烯的费米能从0.4 eV增加到1.2 eV时,有效折射率的实部减小,传播长度增大.计算表明,多极法得到的结果与有限元方法得到的结果完全一致.本研究可以为基于涂覆石墨烯的电介质纳米线的THz波导的设计、制作和应用提供理论基础.     

涂覆石墨烯的三根电介质纳米线波导的模式特性

采用多极方法,通过改变工作频率、中间纳米线半径、中间纳米线高度、水平方向上纳米线之间的距离以及石墨烯的费米能,对涂覆石墨烯的三根轴心非共面的电介质纳米线波导所支持的5种低阶模的有效折射率实部和传播长度进行分析。当工作频率从30 THz增加到40 THz时,有效折射率实部增大,传播长度减小。当中间纳米线的半径从20 nm增加到55 nm时,有效折射率的实部增大,传播长度变化各不相同。当中间纳米线的高度从0增加到100 nm时,有效折射率的实部减小,除了模式5外,其他模式的传播长度都增大。当水平方向上纳米线之间的距离从160nm增加到200 nm,石墨烯的费米能从0.4 eV增加到0.8eV时,有效折射率的实部减小,传播长度增大。     

涂覆双层石墨烯的介质纳米线表面等离子体光波导的模式特性研究

设计了一种由涂覆双层石墨烯的圆形介质纳米线组成的表面等离子体光波导。利用有限元法(FEM),数值分析了纳米线半径、介质夹层厚度、石墨烯化学势以及工作频率对波导所支持的电磁场模式的有效折射率、传播长度、归一化模式面积以及品质因数等模式特性的影响。结果表明,这种新型的混合表面等离子体光波导具有很强的模式束缚能力,归一化模式面积非常小,可以实现极高密度的器件集成,并且传输损耗较低。     

涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线的模式分析

设计了一种涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导.在椭圆柱坐标系中,借助于Mathieu函数和坐标变换,采用多极方法对波导所支持的6个最低阶模式进行了研究,并分析了这些模式的特性与工作波长、石墨烯费米能以及波导结构参数之间的依赖关系.结果表明,调节波导的工作波长、石墨烯的费米能及纳米线之间的间距,可大幅度调节这些模式的特性.调节纳米线的半长轴及半短轴,可以微调这些模式的特性.在两种条件下,通过比较涂覆石墨烯的单根椭圆电介质纳米线、对称椭圆电介质纳米并行线与非对称椭圆电介质纳米并行线所支持的基模的性能,发现本文所设计的波导的性能优于其他两种波导.本文的研究工作可以为涂覆石墨烯的非对称椭圆电介质纳米并行线波导的设计、制作及应用提供理论基础.     

涂覆石墨烯的并行电介质纳米线中的模式分析

采用多极方法对涂覆石墨烯的并行电介质纳米线中的模式特性进行了解析分析,详细研究了工作频率、电介质纳米线的几何结构参数和石墨烯的费米能对模式的有效折射率和传播长度的影响。结果表明,通过改变工作频率和石墨烯的费米能可以便捷地调节模式特性。此外,纳米线的半径或间距小于50nm时,对模式特性有调节作用;然而,当这两个参数继续增大时,它们对模式特性的影响逐渐减小。对比显示多极方法的解析结果与有限元法的数值结果非常吻合。     

石墨烯覆盖微纳光纤复合波导全光优先吸收特性

利用二氧化碳激光器加热法,将普通单模光纤拉制成微纳光纤,用湿法转移石墨烯覆盖在微纳光纤上构成复合波导,不同波长的光通过耦合器进入复合波导,以倏逝波的形式与石墨烯相互作用,开展石墨烯优先吸收特性的研究。当短波作为泵浦光时,随着入射强度的增长,测得输出端长波信号光光谱的变化,获得了约3.5 dB的调制深度,0.62 dB·mW^-1的调制效率。当长波作为泵浦光并改变入射光强时,在输出端测得作为信号光的短波透过率变化约1.9%。实验结果表明,随着任意波长泵浦光入射光强的增长,复合波导对其表现出优先吸收的特性。实验还测试了长波和短波分别经过复合波导后透过率随输入功率的变化,得出长波的透过率增加速度比短波更快,并从能带和倏逝波两方面作出了对应的理论分析。     

SOI纳米线波导导光机理的物理分析

SOI（silicon-on-insulator）纳米线波导及其器件是近年来光电子学领域研究的重点内容之一．文章从基本的导波光学理论出发,引入古斯一汉森位移理论,对SOI纳米线波导导光的物理机制进行了分析并给出了物理解释和模拟结果．     

Rigorous analysis of optical forces between two dielectric planar waveguides immersed in dielectric fluid media

This work presents a rigorous analysis of optical forces between planar waveguides immersed in an arbitrary background medium. This approach exploits the Minkowski stress tensor formulation, which is compared with a normalized version of the dispersion relation method, showing excellent results agreement for different dielectric fluid media. Due to slot‐waveguide effect, optical forces from TM modes are more sensitive to changes in the fluid refractive index than the TE counterparts. Furthermore, the repulsive optical force from the antisymmetric TM1 mode becomes stronger for higher refractive indexes, whereas the attractive force of the symmetric TM0 mode becomes weaker. The methodology and results presented in this work provide a rigorous analysis of nano‐optomechanical devices actuated by optical forces in a broad range of materials and applications. Therefore, this study may impact areas of light‐induced interactions presenting novel optofluidic and optomechanical functionalities, thus finding applications in nanoscale transport, sensing and manipulation.

     

Analytic approach to dielectric optical bent slab waveguides

A rigorous classical analytic frequency domain model of confined optical wave propagation along 2D bent slab waveguides and curved dielectric interfaces is investigated, based on a piecewise ansatz for bend mode profiles in terms of Bessel and Hankel functions. This approach provides a clear picture of the behaviour of bend modes, concerning their decay for large radial arguments or effects of varying bend radius. Fast and accurate routines are required to evaluate Bessel functions with large complex orders and large arguments. Our implementation enabled detailed studies of bent waveguide properties, including higher order bend modes and whispering gallery modes, their interference patterns, and issues related to bend mode normalization and orthogonality properties.     

基于石墨烯涂覆空心光纤电光调制特性的研究

设计了一种新型的石墨烯-空心光纤可调谐结构, 将石墨烯涂覆在空心光纤的空气孔内表面上, 利用有限元法研究了该结构的电光调制特性. 通过改变石墨烯的化学势可以调控光纤的相位和开关特性, 还可以调谐光纤损耗峰与次峰的位置、强度和宽度. 然而, 空气孔半径和石墨烯层数不会改变开关点和损耗峰与次峰的位置, 只会改变损耗差和损耗峰的强度和宽度, 而且由N 层石墨烯引起的损耗差是单层的N倍. 这是因为石墨烯的介电常数决定了光纤的有效折射率和损耗, 通过改变石墨烯的化学势可以改变石墨烯的介电常数, 而石墨烯的层数和空气孔半径却不会改变石墨烯的介电常数, 但是改变了石墨烯和光的作用强度. 经过参数优化之后, 我们提出一种基于五层石墨烯涂覆空心光纤的电吸收型调制器, 工作在1180–1760 nm波段, 具有小尺寸(5 mm×125 μm)、宽光带宽(580 nm)、高消光比(16 dB)、高调制带宽(64 MHz) 和低插入损耗(1.23 dB) 特性. 研究结果对基于石墨烯的可调谐光纤光子器件的设计和应用提供了理论参考.     

Optical characteristic analysis of ridge dielectric waveguides

The optical characteristics of the ridge weak absorptive dielectric waveguide are analysed by using both the equivalent index method and the differentiation method. The approximate expressions are derived for calculating the mode loss coefficients. The computations are carried out for SiO₂/GaAs/AlGaAs waveguides. It is shown that the method given in this paper is very accurate, and the results computed by this method are in good agreement with the numerical results of the mode complex eigenvalue equations.     

微环耦合谐振光波导中的色散控制模型与数值仿真

本文利用传输矩阵法得到了微环耦合谐振光波导的色散关系,讨论了耦合损耗、传输损耗及耦合系数对微环耦合谐振光波导色散的影响,改变耦合损耗、传输损耗及耦合系数可控制其色散曲线的形状、位置、以及带宽,色散曲线的变化及控制对微环耦合谐振光波导在滤波、光信号延迟及缓存等方面的应用有重要意义. 关键词： 光波导 微环光波导 传输矩阵法     

Full-vectorial analysis of optical waveguides by the finite difference method based on polynomial interpolation

Based on the polynomial interpolation, a new finite difference (FD) method in solving the full-vectorial guided-modes for step-index optical waveguides is proposed. The discontinuities of the normal components of the electric field across abrupt dielectric interfaces are considered in the absence of the limitations of scalar and semivectorial approximation, and the present FD scheme can be applied to both uniform and non-uniform mesh grids. The modal propagation constants and field distributions for buried rectangular waveguides and optical rib waveguides are presented. The hybrid nature of the vectorial modes is demonstrated and the singular behaviours of the minor field components in the corners are observed. Moreover, solutions are in good agreement with those published early, which tests the validity of the present approach.     

金属包层渐变折射率介质光波导的传输特性与损耗

用金属包层介质光波导损耗的微扰理论及藉助多层近似法用递推公式分析渐变折射率波导传播常数的方法,对几种类型的金属包层渐变折射率介质光波导的传输特性与损耗进行分析和讨论,得到了与精确数值计算结果相吻合的结果.     

Experimental mode coupling analysis in optical waveguides for sensor and component optimization

A computer controlled mode coupling analyser is conceived and described in detail to characterize and to analyse mode coupling in all known kinds of cylindrical, multimode, step index, optical waveguides (CMSIOWs) by experimental measurement. These waveguides can be present in many ways like simple fibres, multimode fibre-optic sensors (MFOS) or other optical components like couplers or modulators. The computer processed results of measurements lead to transfer matrices and modulation transfer matrices. The transfer matrices describe the light distribution in the far field of these waveguides depending on the direction and power of the light that is injected into it. By visualizing the modulation transfer matrices in the form of mesh diagrams, the influence of external physical parameters, like a measured variable, on the mode coupling mechanisms inside CMSIOWs can be shown directly. The computer controlled mode coupling analyser will make the optimization of MFOS more efficient and, moreover, it will ease modelling of CMSIOWs and define their properties. The potential field of applications for the mode coupling analyser will be in engineering and optimization of intrinsic multimode fibre-optic sensors and their components.