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。     

一维光子晶体研究进展

一维光子晶体由于其制备的优势以及对光传播模式控制的优异性能使其在不同研究领域得到了广泛关注。文章介绍了一维介电以及金属－介电光子晶体的最新研究进展和应用前景,并系统综述了一维材料中全向能隙,布儒斯特角控制,超折射光学效应以及光子局域化等对光传输的影响。     

一维光子晶体研究简介

介绍了一维光子晶体的基本概念、特性，系统综述了对一维光子晶体的研究现状和应用前景。     

一维光子晶体中的电磁模密度

阐述了电磁模密度(EDOM)的概念及其在描述光辐射中的重要作用.推导了有限大小的均匀介质和一维光子晶体EDOM的解析表达式,计算出由λ₀/4薄片构成的一维光子晶体的EDOM,明显看出一维光子晶体中EDOM受光子带结构调制的现象;分析了在带边缘处EDOM有极大增强的现象,其值近似正比于周期数N的平方和两种介质折射率差的平方,并用数值计算结果证实了这一特点.     

正负折射率交替一维光子晶体窄带梳状滤波器

利用传输矩阵法计算了正负折射率交替一维光子晶体的带隙特性。结果表明这种光子晶体具有宽而平坦的禁带,窄而尖锐的通带。这种带隙特性是受到布拉格散射、法布里-珀罗谐振和n-=0禁带共同影响的结果,通带位置决定于法布里-珀罗谐振。在理论分析基础上设计出密集波分复用用窄带梳状滤波器,给出信道间隔为0.8nm的梳状滤波器的仿真结果。仿真结果表明这种梳状滤波器具有信道间隔窄、禁带平坦、通带极窄的特点。信道间隔可以通过改变一维光子晶体单元周期光学厚度调节。     

一维光子晶体掺杂缺陷模研究

用特征矩阵法计算了光波在包含多种掺杂缺陷的一维光子晶体中的传播规律,与不包含缺陷的结构相比较,在禁带中形成缺陷模。缺陷模的位置、数目和强度不仅和缺陷的产生方式有关,还和缺陷位置处的光学厚度及折射率的变化有关。当掺杂缺陷的位置呈等间距时,相应缺陷模也呈等间距排列。随着掺杂缺陷光学厚度的变化,缺陷模的位置、数目也随之变化。保持掺杂缺陷光学厚度不变,掺杂缺陷折射率的变化将会引起缺陷模强度的变化,并存在一个最大值。缺陷模的出现一般使带隙加宽,尤其是掺杂介质的折射率与周期介质的折射率差别较大时更加明显。掺杂空气介质时可使缺陷模的透射率近似为1。     

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.     

一维多缺陷光子晶体的缺陷模

设计了一个多缺陷的一维光子晶体,并利用传输理论研究其透射谱.利用泰勒展式的一级近似,得到了缺陷模频率的解析表达式,进而得到紧束缚理论中的耦合因子.这些结论与实验结果或数值模拟相符合,可以很好地描述缺陷模的有关规律,对多通道滤波器的设计具有指导意义. 关键词： 光子晶体 缺陷模 紧束缚方法 耦合因子     

镀膜激光全息光子晶体梳状滤波特性研究

提出将成熟的光学薄膜技术和激光全息技术结合起来制作一维镀膜激光全息光子晶体,用特征矩阵方法研究了该光子晶体的梳状滤波特性,发现:随着两端薄膜的周期数增大,透射峰的中心波长向中间收拢,透射峰之间的间隔变小;随着激光全息光子晶体的周期数增大,透射峰的个数增加,透射峰之间的间隔变小;随着制作激光全息光子晶体时的激光的强度增大,透射峰的中心波长向长波方向移动,透射峰的宽度变小.     

缺陷态透射率可调的三缺陷层的一维光子晶体

利用传输矩阵方法,从理论上研究了三缺陷层一维光子晶体的光学性质.在缺陷层间距足够大以致于出现缺陷态简并的情况下,调节第一或第三个缺陷层的光学厚度,光子晶体缺陷态的透射率会发生最大程度的变化.这种结构可同时具有窄带滤波器和光开关的功能,据此提出了一种低阈值光开关的设计.把折射率可调的向列型液晶作为晶体的第三个缺陷层,并用4×4传输矩阵方法计算了其缺陷态透射率与电场电压的关系.     

含单负材料的一维光子晶体的杂质模

采用转移矩阵的方法研究了含单负材料的一维光子晶体中掺入双层正常材料杂质时杂质模频率的变化问题.研究结果表明,杂质模频率与晶格常量的标度无关,且对晶格常量的涨落很不敏感.同时,通过增加杂质层厚度及层数发现,杂质模频率随之减小,而它的变化率随之增加,且杂质模消失在低频带边的速度会越来越快.     

含负折射率材料的一维光子晶体缺陷模式的研究

采用光学传输矩阵方法,研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体中带有缺陷层时的光学传输特性.计算了含有普通电介质插层和有吸收的介质插层两种情况下的透射谱.结果表明,在正入射时,对于普通电介质插层,随插层厚度的增大,缺陷模的个数增多;对于有吸收特性的介质插层,随插层厚度的增大和吸收特性的增强,缺陷模式并没有出现,而是表现为对透射峰的明显增益.     

具有缺陷模的氧化铝光子晶体的光学传感性能

采用在周期性氧化电压信号中插入恒压波形的方法成功制备了具有缺陷模的一维氧化铝光子晶体. 这种晶体的透射光谱研究表明,缺陷的厚度对缺陷模的透过率具有显著影响,当缺陷厚度在180 nm时,光子禁带内部出现透过率为55%、半峰宽约为18 nm的缺陷模. 该缺陷模能够对进入到氧化铝孔道内部的液体物质做出响应,其位置与液体的折射率线性相关.     

多个单负材料缺陷一维光子晶体的孪生缺陷模

分析了含有多个单负材料缺陷层的一维光子晶体中缺陷模的性质。在两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替堆叠形成的一维光子晶体中,掺入了多个周期排列的单负材料缺陷层,得到在该光子晶体的零有效相位(zero-effective phase)带隙内存在孪生缺陷模。通过改变缺陷的数目或缺陷层的厚度,可调节缺陷模的频率间隔,但缺陷模的数目总保持为两个。计算结果显示,该孪生缺陷模的频率对入射角度的依赖较弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量总保持在0.03以下。此外,对应缺陷模频率的电场在该光子晶体中传播时,将被强烈地局域在缺陷层与周期结构的交界面上。     

含复合缺陷层的光子晶体的光学特性

运用传输矩阵法研究了在一维光子晶体中插入缺陷层的透光特性。在无缺陷层的一维光子晶体中能产生467~510 nm、1 279~1 715 nm两处明显的光子带隙。重点研究了插入缺陷层后,在1 279~1 715 nm的光子带隙中缺陷层厚度和入射角度大小分别与透射光谱变化的关系。研究发现：缺陷模的位置对入射角变化很敏感;出现缺陷模的数量和插入缺陷层的数量相同;一维光子晶体厚度的增大不会改变缺陷模的数量和位置,只改变透射峰的宽度和透射率。     

含负折射率材料一维光子晶体的全方位带隙和缺陷模

运用光学传输矩阵理论,研究了含负折射率材料一维二元光子晶体的禁带特性和局域模特性,发现了一种新型全方位光子带隙.与传统的Bragg带隙相比,这种新型全方位光子带隙的中心频率和带宽对入射角的变化不敏感.讨论了引入缺陷层后,入射角变化和各层介质厚度做一定比例的缩放时对缺陷模位置的影响.这种特性在具有固定带宽的全方位反射器和微波技术中全方位或大入射角滤波器方面有重要的应用价值.     

Scattering Matrix Method for Modeling Defect Modes in 2-D Photonic Crystals

A novel and numerically efficient treatment of electromagnetic modes localized at defects in two-dimension (2D) photonic crystals is presented in this paper. The method represents the fields in terms of scattered fields by each column of the photonic crystals. With the method, the field distributions in two photonic crystal structures are calculated with satisfying results.     

引入零平均折射率材料掺杂的一维光子晶体缺陷模的特性研究

本文利用特征矩阵理论模拟了一维光子晶体引入零平均折射率材料的缺陷模特性,发现在基频带隙处出现了孪生缺陷模,并分析了组成零平均折射率材料的正负折射率材料的折射率的变化对孪生缺陷模的位置、透射率和半峰宽度的影响,为双通道窄带滤波器的设计提供了新的思路和理论依据.     

一维光子晶体的折射率研究

对于一维光子晶体反常折射的研究大都基于光子晶体的色散关系解析解,文章作者认为,在光线非正入射时上述方法是不适用的,有必要使用更加合适的方法对一维光子晶体的折射规律加以系统研究,从而对一维光子晶体器件的设计起到些指导作用.文章将一维光子晶体作为二维问题来考察,使用数值方法(平面波展开法)来计算光线在光子晶体中沿各个方向传播时的色散关系,进而得到了折射角与入射角和频率的关系.结果表明:对于一维光子晶体,考查在第一能带范围内的频率,当频率越接近能带边,且入射角越接近敏感区时,折射角对入射角和频率的变化越敏感.而且,敏感区随频率的增大有向小角度移动的趋势.