高品质因子和高传输效率的二维光子晶体耦合腔波导研究

基于时域有限差分方法,通过仿真计算设计了一种具有较高品质因子和传输效率的二维光子晶体耦合腔波导结构。通过改变二维光子晶体波导微腔结构中隔绝波导与微腔的空气孔的半径和数量,在获得近似90%的传输效率的同时,使得品质因子达到了8.20×104。为了使品质因子在大幅度提高的同时,传输效率只有小幅度的降低,在波导微腔结构中引入了链式微腔。将链式微腔结构与传统的波导微腔结构相结合,使这种新形式的耦合腔结构的品质因子提高了1个数量级,传输效率仅下降了约40%。     

二维光子晶体耦合腔阵列的慢波效应研究

设计了一种六角晶格二维光子晶体耦合腔阵列,平面波展开法计算能带表明,处于禁带中的耦合缺陷腔模的色散曲线在光子晶体平面内所有k矢量方向更加平坦.模拟了横电波沿ΓK方向的透射谱.与光子晶体单缺陷腔相比,耦合腔阵列结构的缺陷腔模透射率提高三个量级以上,而群速度降低一个量级,得到0.007c的结果.该慢波效应在构造微型可调谐光延迟器和低阈值光子晶体激光器等方面具有潜在的应用前景. 关键词： 光子晶体 耦合腔阵列 慢波 透射率     

高透射率慢光速的光子晶体耦合腔波导的研究

将二维三角晶格光子晶体波导和微腔结构结合,优化设计了一种二维三角晶格光子晶体共振耦合腔波导,运用时域有限差分法(FDTD)模拟共振耦合腔波导TE偏振光的透射谱,通过透射谱得到传输光的透射率和群速度。结果表明,合适参数的二维三角晶格共振耦合腔波导在波长1.551μm处的群速度为c/130、透射率为20.1%,在波长1.502μm处的群速度为c/50、透射率为29.2%。运用平面波展开法(PWE)计算的该波导的能带结构对慢光特性进行了分析。这种慢光特性的光子晶体波导将在光存储、光延迟及光子集成等方面有潜在的应用价值。     

点缺陷二维光子晶体波导的出射光集束

光子晶体器件在高密度集成光通信中有广泛的应用,为解决光子晶体波导出射光场的空间控制,采用时域有限差分法分析光子晶体波导结构的缺陷传播特性,提出基于点缺陷优化波导结构,通过在波导出射口两侧加上点缺陷,出射光方向性有显著提高,实现三点光源干涉系统的光集束。模拟结果表明缺陷态越靠近能带结构中央,共振腔的耦合效率越高;相反,缺陷态越靠近能带结构边缘位置,则共振腔耦合效率越低,因此,选取禁带区域四分之一处对应的点缺陷,可以有效实现波导出射的光集束。     

基于六角格子光子晶体波导的高效全光二极管设计

提出了一种基于六角格子光子晶体波导微腔和Fabry-Perot(FP)腔非对称耦合的全光二极管结构, 它由一个包含非线性Kerr介质的高Q值微腔与一个光子晶体波导中的FP腔组成. 通过有限时域差分方法对其传输特性进行了仿真, 发现通过两腔的非对称耦合可以实现在特定光强度下的正向传输、反向截止的功能. 在靠近微腔方向光入射时, 特定强度的光可以激发非线性微腔的Kerr效应, 改变了Fano腔的共振频率, 从而变成透射状态. 而远离微腔方向光入射, 由于这个不对称的结构造成场局域的分布不对称, 激发微腔Kerr效应的光强还不够, 所以光不能透射. 所设计的全光二极管结构具有良好的性能参数: 最大透射率高和高透射比、光强阈值低和易于集成等.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的,腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达106,模体积仅为0.02(λ/n)3.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

基于宽度可调节的线缺陷平板型光子晶体的空气槽微腔

研究了一种空气槽光子晶体微腔,这种腔是由在平板型光子晶体上引入一条宽度可以调节的线缺陷空气槽形成的.腔模的电场被强烈局限在空气槽中,由于介电常量的不连续性,电场得到很大的提高,同时模体积被大大地降低.数值模拟与分析了微腔的能带结构和场分布,考虑到腔模的谐振频率和对称性,发现一阶偶膜同时具有较高的品质因子和较小的模体积;应用有限时域差分法,得到腔模的品质因子可以高达10⁶,模体积仅为0.02(λ/n)³.计算了一阶偶模谐振波长随空气槽宽度以及空气孔半径的变化,发现随着宽度的增加,波长越来越短.而随着空气孔半径的增加,波长近似线性地减小;当空气孔半径为170 nm时,可以获得最高的腔品质因子.     

光子晶体滤波特性分析

采用时域有限差分(FDTD)方法,研究光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性.计算结果表明,处于光子晶体禁带的光能被局域在光子晶体波导中传输.而具有特定本征共振频率的光子晶体微腔可将在其附近波导中传播的相应频率成份的光下载到微腔中,不同结构的腔可以“下载”不同频率成份的波.以上计算结果,可用于光子晶体上/下载滤波器的设计.     

基于三角晶格光子晶体谐振腔的双通道解波分复用器

提出了一种基于三角晶格二维光子晶体解波分复用器。该器件主体由线缺陷波导、环形谐振腔及点缺陷微腔构成。使用平面波展开法研究了线缺陷波导的特性,给出了线缺陷波导的能带图,对局部器件微调后进行大量的性能仿真以及对整体器件进行性能仿真,选择合适的器件参数,并使用时域有限差分法研究了不同波长的光在解波分复用器中的传输特性,并给出了电场分布图。仿真结果表明,该种结构可以实现波长分别为1271nm和1291nm两种光波的解波分复用。采用6个额外的介质柱,提高了环形腔的透射率;并通过在入射波导的入射口处增加三对介质柱,提高了波导的出射效率,从而整体上提高了双通道解波分复用器的输出效率。     

椭圆柱微腔光子晶体耦合腔波导的慢光特性研究

采用大介质柱和椭圆介质柱环绕微腔结构构成光子晶体耦合腔光波导(PC-CROW),在获得慢光的同时,其缓存特性也获得了提高。当普通介质柱半径为0.25a(a为光子晶体晶格常数),环绕微腔圆形大介质柱半径为0.35a时,得到小于2.37×10-4c(c为真空中的光速)的导模群速度,这比均匀介质柱微腔波导的最大群速度减小了一个数量级,存储容量也有所下降;考虑到缓存性能,为了进一步改善PC-CROW的慢光性能和缓存特性,将环绕微腔大介质柱椭圆化,在椭圆长轴为0.42a,短轴为0.20a时,获得导模群速度小于2.3053×10-4c,存储容量达到9.8214 bit,品质因子Q也达到了最大值3575.1。     

Optical properties of He+-implanted and diamond blade-diced terbium gallium garnet crystal planar and ridge waveguides

Terbium gallium garnet (Tb₃Ga₅O₁₂, TGG) crystal can be used to fabricate various magneto-optical devices due to its optimal Faraday effect. In this work, 400-keV He⁺ ions with a fluence of 6.0×10¹⁶ ions/cm² are irradiated into the TGG crystal for the planar waveguide formation. The precise diamond blade dicing with a rotation speed of 2×10⁴ rpm and a cutting velocity of 0.1 mm/s is performed on the He⁺-implanted TGG planar waveguide for the ridge structure. The dark-mode spectrum of the He⁺-implanted TGG planar waveguide is measured by the prism-coupling method, thereby obtaining the relationship between the reflected light intensity and the effective refractive index. The refractive index profile of the planar waveguide is reconstructed by the reflectivity calculation method. The near-field light intensity distribution of the planar waveguide and the ridge waveguide are recorded by the end-face coupling method. The He⁺-implanted and diamond blade-diced TGG crystal planar and ridge waveguides are promising candidates for integrated magneto-optical devices.     

基于新型三环谐振器的诱导透明效应分析

针对谐振式微腔的应用需求, 提出了一种新型三环谐振式微腔结构, 类似于原子系统中的电磁诱导透明, 耦合诱导透明(CRIT)效应在一个新的光学微腔系统中已被实验证明. 该结构在硅基上由三个尺寸完全一样的微环腔组成, 通过理论分析、制备和实验测试, 能够观察到CRIT现象, 其频谱具有低群速的狭窄透明峰, 与光栅耦合器的耦合效率为34%, 并且谐振器的品质因数达到了0.65×10⁵, 同时, 失谐的谐振波长可以通过温度变化来控制, 这在旋转传感、光滤波器、光存储器等方面的应用有重要意义.     

一种新型高效光子晶体多信道下载滤波器的设计

采用二维正方排列的光子晶体,根据微腔缺陷模和波导模共振耦合原理,设计了一种新型的多信道下载滤波器,该滤波器通过主波导、90°弯波导和共振微腔的组合,提高了各个信道下载波导的下载效率。利用二维时域有限差分法模拟了滤波器的传输特性,并理论分析了影响下载效率的因素,进一步对滤波器进行了优化,使得各信道下载波导的下载效率均在91%以上。模拟结果表明该滤波器能有效地实现光波的分波下载,传输谱信道波长间隔约为20nm,中心波长误差为±2nm,传输谱的最大半宽度为3.2nm,有良好的波长选择性,证实了增大下载波导和共振微腔的耦合区域可以有效地提高滤波器的下载效率。     

Broadband waveguide intersections with low cross talk in photonic crystal circuits

We propose a new mechanism for constructing waveguide intersections with broad bandwidth and low cross talk in photonic crystal (PC) circuits. The intersections are created by combination of coupled-cavity wave-guides (CCWs) with conventional line-defect waveguides. This mechanism utilizes the strong dependence of the defect coupling on the field pattern in the defects and the alignment of the defects (i.e., the coupling angle) in CCWs. By properly designing the defect mode, we demonstrate through numerical simulation the establishment of such a waveguide intersection in one of the most useful PCs, which is based on a two-dimensional triangular lattice of air holes made in a dielectric material. The transmission of a 500-fs pulse at ~1.3 microm is simulated by use of the finite-difference time-domain method, showing negligible distortion and low cross talk.     

Comparison between MeV Ni and He ion-implanted planar optical waveguides in quartz

Optically polished crystalline quartz samples were implanted at room temperature by 2.6 MeV Ni⁺ ions with a dose of 9×10¹⁴ ions/cm² and 2.0 MeV He⁺ ions with a dose of 1.5×10¹⁶ ions/cm², respectively. A comparison of the MeV Ni⁺ ion-implanted planar waveguide formation was made with the MeV He⁺ ion-implanted one. The prism-coupling method was carried out to measure the dark modes in the quartz waveguides by using model 2010 prism coupler. Five modes were observed in the Ni⁺ implanted waveguide while 15 modes were found in the He⁺ ion-implanted one. Reflectivity calculation method was applied to fitting the refractive index profile. TRIM’98 (transport of ions in matter) code was used to simulate the damage profile in quartz by MeV Ni⁺ and He⁺ ions implantation, respectively. It is found that the refractive index profile in MeV Ni⁺ ions implanted waveguide is somewhat different in shape from that in MeV He⁺ ions implanted waveguide.     

慢光在光子晶体弯折波导中的高透射传播

研究了慢光模式在SOI(silicon-on-insulator)材料光子晶体线缺陷弯折波导中的传输特性. 通过优化波导弯折处的结构参数,慢光模式在光子晶体60°与120°弯折波导中的透射率提高10倍以上,归一化透射率分别达到80%和60%以上. 为了进一步减慢光速,设计了新颖的高Q值耦合腔弯折波导结构,在归一化透射率达到75%的基础上,光波群速度低至c/170(c为真空光速). 研究结果对于增强光子晶体的慢光效应,提高光子晶体慢光器件的微型化和集成化都有一定的积 关键词： 光子晶体 慢光 弯折波导 透射率     

Characterization of optical waveguides in β-BaB2O4 crystals formed by 3.0 MeV Ni ions implantation

We report on the optical planar waveguides formation and modal characterization in β-BaB₂O₄ crystals by Ni²⁺ ion implantation at energy of 3.0 MeV and doses of 10¹⁴ ions/cm². The prism coupling method was used to investigate the dark-mode property at wavelengths of 633 nm and 1539 nm, respectively. The refractive index profiles of the waveguides with different doses were reconstructed by an effective refractive index method based on the reflectivity calculation method (RCM). The modal analysis indicates that the fields of TM modes can be well restricted in the guiding region, which means the formation of non-leaky waveguide in the crystal.