缺陷态复周期光子晶体的特性研究

利用传输矩阵法计算复周期结构的光子晶体的色散关系和滤波特性 ,并重点研究了含有缺陷的类似于谐振腔结构的光子晶体滤波特性.由于这种缺陷态复周期结构的可调参数多,人们很容易得到在红外波段1550 nm附近窄带滤波窗口,透过率可达到近90%,而窗口以外的透过率在0.02%以下.当改变中间夹层厚度、周期数及缺陷层数时,窄带滤波窗口的位置和带宽发生改变.因此,它在高速,长距离光通信中将有很好的应用.     

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%.     

超窄带和梳状多通道光子晶体滤波器设计

 设计了一种因掺杂而具有超窄带滤波特性的光子晶体滤波器和一种复周期结构的梳状多通道光子晶体滤波器。在两种均匀介质交替分布的周期结构中间插入一层折射率不同的介质膜后，通过传输矩阵法的数值计算，发现采用前后不对称的周期结构并调节参数，可以在1 550 nm处找到一个透射率接近100%的极窄的透过峰，因而可得到一种超窄带光子晶体滤波器。另外，在以高低两种折射率的介质交替分布，并以两种单独的单元周期合并组成一个复周期，然后进行周期重复构成的光子晶体中，利用通道数等于复周期数减1的规律，并配合各层厚度的调节，设计出在1 550 nm附近梳状8通道和16通道的光子晶体滤波器，各通道透过峰的透射率均接近100%，由此设计出一种梳状多通道光子晶体滤波器。     

宽波段波状多层膜结构偏振分束器的设计与优化

本文基于二维光子晶体波状多层膜结构,提出了叠加两种不同膜厚的周期膜堆来拓宽偏振分束器有效带宽的方法.采用粒子群优化算法,建立偏振分束特性的评价函数,优化结构和薄膜厚度等参数,获得了中心波长565 nm,带宽220 nm,平均消光比大于30 dB的宽波段偏振分束器.采用时域有限差分方法分析了膜层顶角的角度敏感性和波状结构的电场分布.结果表明,两个周期膜堆组合的结构解决了禁带不连续的情况,而粒子群优化算法的使用加快了结果收敛,有效地扩展了偏振分束带宽.     

纳米孔隙聚合物光学薄膜透过率谱线的数值计算

用时域有限差分（Finite Difference Time Domain－FDTD）算法模拟了光从真空垂直入射到表面覆盖有一层纳米孔隙聚合物薄膜的玻璃介质,得到了在不同波长下的纳米孔隙薄膜的透过率谱线.将FDTD模拟结果的透过率谱线与理论谱线相对照,估算出了该薄膜的等效折射率.我们分别模拟了孔隙率为5%、10%、15%、20%和30%的薄膜,得到了它们的透过率谱线,而且利用这些谱线得到了它们不同的等效折射率值.文末给出了只有两层薄膜构成的纳米孔隙宽带增透薄膜的结构,而且利用FDTD算法模拟了光经过这种增透膜入射到玻璃介质的过程,结果显示这种增透膜在可见光波长范围的透过率高达99.5%.     

新型小尺寸窄带偏振分光器在光纤通信中的应用

在光纤通信中,为了在不改变调制波长范围的基础上仍能实现更多数据通道的波分复用,设计了一种新型的小尺寸窄带偏振分光器,用于对现有的数据通信网络进行扩容以及提高光信号的信噪比。在该分光器上蒸镀了两种新设计的膜系,一层是窄带滤光膜,另一层是偏振分光膜。采用TFCalc软件仿真,设计结果中窄带滤光膜的带宽约为0.4 nm,偏振分光膜在1 530～1 560 nm范围内对p光的通透性能优于99.8%。基于以上膜系设计在BK7光学玻璃上实际制备两组膜系,实验采用Agilent 8164-A型光波测量系统对经过膜后的光进行光谱分析。结果显示,窄带滤光膜的实际带宽优于0.4 nm,增益平坦度小于-0.05 dB,相比现有常见的0.8 nm滤光膜具有更窄的带宽,可以实现在调制波长范围不变的条件下增大波分复用的数据通道总量。偏振滤光膜的实际p光透光率为99.6%,相比仿真值略低,但仍优于设计要求,相比传统分光器的光信号强度保留效果更好,具有更高的信噪比。综上所述,该分光器具有更好的应用价值和实用意义。     

基于光子晶体光纤Lyot-Sagnac环的可调谐微波光子滤波器

提出了一种光子晶体光纤Lyot-Sagnac环切割宽带光源的中心频率连续可调的微波光子滤波器.用温敏液体(Cat.19340)对两段光子晶体光纤(长度为11.94m和1.94m)中心的一个大孔进行填充后嵌入Lyot-Sagnac环,仿真分析了不同填充占空比对Lyot-Sagnac环梳状谱周期和滤波器通带中心频率调谐范围的影响,结果表明:占空比越大,Lyot-Sagnac环的梳状谱周期越小,滤波器通带中心频率的调谐范围越大.在占空比最大温度为20℃和80℃时,两段光子晶体光纤的有效长度为10m时,LyotSagnac环的梳状谱周期分别为0.36nm和0.26nm;当两段光子晶体光纤的有效长度为13.88m时,Lyot-Sagnac环的梳状谱周期分别是0.26nm和0.19nm.用该Lyot-Sagnac环对宽带光源进行切割,当温度在20℃到80℃之间变化时,通过调节环内的偏振控制器,多波长光源波长间隔可在0.19nm~0.36nm范围内连续可调,实现了滤波器通带中心频率在31.04GHz~58.81GHz范围内连续可调.     

反射型导模共振滤波器设计

导模共振滤波器由于其高峰值反射率,低旁带反射,窄带以及带宽可控等优良特性引起了人们极大的关注,采用亚波长光栅的导模共振效应可以实现传统基于高低折射率介质的多层膜滤波器所无法实现的特殊功能,在弱调制模式下,其共振带宽可以被压缩到零点几纳米,但是由于介质表面和空气层的菲涅耳反射,使得偏离或者远离共振区时的反射率偏高,根据等效介质理论,亚波长光栅在远离共振区可以被看为均匀的薄膜,本文通过对导模共振光栅进行单层、双层以及三层抗反射设计,有效的降低了导模共振光栅的旁带反射率,从而在可见光波段获得了性能优良的共振滤波 关键词： 导模共振 平面波导 傅里叶模式理论 窄带滤波     

单负材料一维光子晶体超窄带滤波特性研究

用传输矩阵法研究了单负材料一维光子晶体(ABD)m(CBA)n(ABD)m(CBA)n的透射谱。结果表明:当增加周期数m或D层介质厚度dD时,透射谱中的两个隧穿模越加锋锐,但所处频率位置不变;当增加周期数n或C层介质厚度dC时,透射谱中的两个隧穿模向中间靠拢趋于简并;当增加A层介质厚度dA时,透射谱中双隧穿模结构及位置无变化,而当增加B层介质厚度dB时,透射谱中的三模结构向低频方向移动,且逐渐消失;随着入射角θ的增大,透射谱中两隧穿模向禁带中心靠拢。利用单负材料光子晶体的透射谱特性可实现可调性和高品质的单、多通道超窄带滤波功能。     

偏振无关的双折射多波长滤波器的Z域设计

基于双折射铌酸锂晶体的电光效应,设计了一种偏振无关的二端口波导型多波长可调谐滤波器.在非对称干涉仪的上下分支波导上,耦合电极与相移电极周期性交叉级联实现模式的偏振转换.利用琼斯矩阵的Z域分析,求解驱动电压模拟实现多个波长的同时选择.仿真实现了自由光谱范围内分布任意的窄带多波长输出.波长中心处传输率为100%;旁瓣大小受到所选波长个数的影响,三个波长同时滤波的旁瓣可达12 dB.同时得到了梳状滤波输出谱,其通带顶部平坦,旁瓣可达15 dB以上.     

用于垂直腔面发射激光器的超薄光子晶体反射镜

提出了一种光子晶体反射镜作为垂直腔面发射激光器的P面反射镜,并分析了其反射特性。为了设计在850 nm波段具有高反射率和宽带宽的光子晶体反射镜,采用三维时域有限差分法对光子晶体反射镜的结构参数进行计算优化。结果表明,当二维光子晶体结构的气孔半径为84 nm,周期为212 nm,高度为90 nm时,对应TE光学模式的高反射率（R≥99.5%）带宽为106 nm,与中心波长之比为12.5%;同时对于TM光学模式的反射率低于80%,具有较宽的偏振选择性。并且光子晶体反射镜薄,串联电阻小,没有氧化物引入的电阻和应力问题。因此,提出的新型光子晶体反射镜可替代传统垂直腔面发射激光器的P型分布布拉格反射镜,提供高反射率和宽带宽,并提高器件的光电性能。     

双折射器件对机载激光雷达偏振探测影响的研究

根据膜层理论给出了机载激光雷达回波信号垂直入射偏振棱镜时偏振平行分量透过率的数学解析表达式,定量分析了偏振棱镜对机载激光雷达回波信号平行分量透过率的影响,理论计算表明：棱镜晶体厚度、空气膜层厚度及棱镜结构角共同影响回波信号通过偏振棱镜的透过率;当回波信号波长为532 nm,利用1/2石英波片测得的偏振平行通道和偏振垂直通道的增益比k为1.2时,机载激光雷达偏振通道增益比k的真实值在1.003～1.463之间,若不考虑1/2波片对k值的影响,会给退偏振比反演带来较大的系统误差.     

双折射消偏振膜的设计和制备

基于倾斜沉积薄膜材料的双折射特性,采用单一TiO2设计和制备了中心波长为632 nm的双折射消偏振膜。首先以60°和70°的沉积角度镀制了TiO2单层膜,通过单层膜的透射光谱分别拟合出两种沉积角度下薄膜对s和p偏振光的等效折射率nPH,nSH和nPL,nSL。通过对折射率的组合,实现正入射时s偏振光透射率大于p偏振光,而入射角度增大会使两者透射率差值减小,基于这一思想设计并制备了消偏振膜。分别测量了消偏振薄膜在400~800 nm波段范围内正入射及倾斜入射条件下s和p偏振光的透射光谱。入射角为60°时,s偏振光反射带宽基本与p偏振光反射带宽重合,在波长632 nm左右基本实现消偏振。结果表明,利用材料的双折射特性,可以设计和制备出倾斜入射条件下消偏振薄膜。     

TiO2/SiO2多层膜的带隙结构及光催化性能

利用传输矩阵法设计了由SiO2、TiO2组成的多层膜高透射率光子晶体结构,并分析了其透射谱特性,根据等效层原理改变多层膜一维光子晶体的自身结构来提高通带内特征波长附近的透射率,获得了最佳结构参数。研究结果表明,当晶格参数为150nm,填充比为0.346,周期数为6时,400nm波长附近吸收带处的透射率最低也可达96.5%,并且不论是TM模式还是TE模式,入射角在0°～45°范围内仍保持高的透射率,该结构可望用于空气净化装置以提高SiO2、TiO2光催化剂的光催化效率。     

反射型导模共振滤波器设计

导模共振滤波器由于其高峰值反射率，低旁带反射，窄带以及带宽可控等优良特性引起了人们极大的关注，采用亚波长光栅的导模共振效应可以实现传统基于高低折射率介质的多层膜滤波器所无法实现的特殊功能，在弱调制模式下，其共振带宽可以被压缩到零点几纳米，但是由于介质表面和空气层的菲涅耳反射，使得偏离或者远离共振区时的反射率偏高，根据等效介质理论，亚波长光栅在远离共振区可以被看为均匀的薄膜，本文通过对导模共振光栅进行单层、双层以及三层抗反射设计，有效的降低了导模共振光栅的旁带反射率，从而在可见光波段获得了性能优良的共振滤波     

异质三周期光子晶体的光子带隙特性

利用传输矩阵法研究了由TiO₂和SiO₂两种材料构成的异质三周期一维光子晶体的传光特性,发现该结构能在波长为200~ 2 000 nm的范围内形成7处比较明显的光子带隙,并且波长越大,带隙的宽度越大。重点研究了这种结构的光子晶体的透射谱线与入射角度、介质层数及介质层厚度的关系,发现该结构形成的光子带隙的大小和位置对介质层的循环周期数不敏感,但对入射角度和介质层的厚度很敏感。     

近红外宽截止窄带滤光膜的研制

在空间光通信系统中,为满足光学系统对滤光膜的特殊要求,研制出了一种近红外宽截止窄带滤光膜,实现了降低深背景范围内杂散光干扰的要求.通过对薄膜材料特性的研究、膜系设计曲线的不断优化,得到了相对易于制备的窄带滤光膜结构;采用电子束加热蒸发及离子辅助沉积技术制备薄膜,采用光控加晶控同时监控的方法监控膜层厚度,通过不断优化工艺参量,提高中心波长处的透过率,最终成功得到了光谱性能较好的滤光膜.经光谱测试表明:所镀膜层在800~1 530nm、1 600~1 800nm波段平均透过率低于0.3%,1 565nm单点透过率高于92%,通带半带宽为18nm,满足光学系统的使用要求.     

波长可调谐的瓦级连续橙红光激光器

介绍了基于复合腔结构的全固态波长可调谐的连续橙红色激光的输出特性。该复合腔由一个使用周期极化晶体MgO:PPLN的信号光单谐振光参量振荡器和一个LD侧面泵浦Nd:GdVO₄晶体的1 062.9 nm基频光谐振腔构成。s-偏振1 062.9 nm泵浦光抽运单谐振光参量振荡器产生s-偏振信号光腔内独立振荡。通过复合腔结构的优化设计,使独立振荡的p-偏振1 062.9 nm基频光与s-偏振信号光在2个子腔的重叠区内通过Ⅱ类角度匹配KTP晶体的腔内和频过程获得橙红色激光。当MgO:PPLN晶体的调谐温度从30 ℃上升至200 ℃时,s-偏振信号光的中心波长产生红移,导致其与p-偏振1 062.9 nm基频光和频产生的橙红色激光的中心波长从620.2 nm红移至628.9 nm。同时测得中红外波段闲频光的中心波长从3 714.2 nm蓝移至3 438.3 nm。在30 ℃最低设定温度时, 中心波长620.2 nm的橙红色激光和中心波长3 714.2 nm的闲频光最大连续输出功率分别达到2.0 W和2.9 W。     

GCLM缺陷光子晶体带隙结构及滤波特性

研究了以GCLM（the generalized Cantor-like multilayer）结构作为缺陷的光子晶体带隙结构和滤波特性.通过调整缺陷结构参量,可以得到通信波段1 300 nm~1 550 nm附近的窄带滤波窗口.滤波窗口透过率接近100%,而窗口以外的透过率在0.01以下.缺陷结构产生的Cantor分布,对光子晶体的透射特性产生很大影响,通过调整GCLM的结构,可以控制带隙的宽度及带隙中滤波窗口的数量和位置.和其他一维光子晶体相比,这种滤波特性能更好地应用在CWDM中.     

角度调谐滤光片特性分析及膜系设计

对窄带滤光片的倾斜入射特性作了分析.斜入射时其透射通带和峰值会向短波方向移动,透射曲线的稳定性跟滤光片的间隔层结构相关,多腔间使用相同的间隔层可以保证斜入射时有稳定的峰值透射率和带宽,利用该特点可以制备角度调谐窄带滤光片.透射光S和P偏振分量的中心波长随入射角度的增大出现分离现象,产生较大的偏振相关损耗.通过搭配不同厚度的高低折射率材料作为间隔层,改变其有效折射率,使其两个偏振分量的中心波长实现重合.设计了符合密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)系统要求的低偏振相关损耗四腔窄带角度调谐滤光片膜系,其可调谐范围达20 nm以上,并评估了所设计角度调谐滤光片的调谐性能.