二维正方各向异性碲圆柱光子晶体完全禁带中缺陷模的FDTD计算分析和设计

用FDTD方法计算了二维正方晶胞各向异性碲圆柱光子晶体的点缺陷模.为了得到TE,TM模式在完全禁带中具有相同共振频率的缺陷模,对中心点缺陷半径Rd以及中心附近对称位置的点缺陷半径Rn做了一系列微调.计算表明,TM模对于Rn的变化不敏感,而TE模随着Rn的改变出现了明显的规则的移动趋势.通过计算分析,发现对应于f=0.4的背景(R=0.3568a),当Rd=0.55a,Rn=0.26a时在完全禁带中TE和TM的缺陷模具有相同的共振频率ω0=0.2466ωe(其中ωe=2πca,a为晶格常数) 关键词： 时域有限差分法 光子晶体 缺陷模 各向异性     

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

各向异性圆柱掺杂光子晶体的缺陷模及其量子效应

利用光波在一维各向异性圆柱掺杂光子晶体中径向受限的条件,研究了光波在其中出现的模式量子效应,并利用特征矩阵法计算了TE波和TM波各模式的缺陷模的变化规律,得出了一些一维各向异性圆柱光子晶体缺陷模的新结构.缺陷模的频率和透射角都随模式量子数的增加而增大.同一模式缺陷模的频率随圆柱半径的增加而减小. 关键词： 圆柱光子晶体 各向异性介质 量子效应 缺陷模     

二维正方晶格光子晶体三光波导方向耦合器

光子晶体是以介电常数呈周期性排布且在光波长量级构建的人工微结构,利用其具有光子禁带这一特性可实现对光子的控制。引入线缺陷可形成光子晶体波导。以1.55μm的TE偏振光作为光源,用时域有限差分法计算并分析了二维正方晶格光子晶体三光波导方向耦合器在不同波导间距下的耦合长度及耦合效率分别与介质柱折射率和介质柱半径的变化关系。研究结果为1.55μm耦合器的结构设计及制备提供一定的理论指导。     

二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构

通过平面波展开法对二维点缺陷三角晶格光子晶体的微腔结构进行研究,计算得出其色散图以及缺陷模分布.结果表明:缺陷模波长与微腔谐振波长基本吻合.利用FDTD模拟谐振波长波段的电磁波在光子晶体中传播的动态演化过程,并计算出局域模的空间分布图.最后在有规律地改变缺陷周围介质柱半径的情况下实现谐振中心波长的可调性.     

二维光子晶体禁带特性研究

采用平面波展开法对二维光子晶体分别在E和H极化下的带隙进行了计算. 考虑了填充比、晶格结构、介电常数对最大绝对帯隙的影响. 结果表明,不论是正方晶格还是三角晶格,TM模在介质柱型光子晶体中更容易形成带隙;TE模在空气孔型光子晶体中更容易形成带隙. 填充比一定,最大绝对帯隙宽度并非随着介电常数增大总是增大,而是存在一个峰值. 相对介电常数一定,最大绝对帯隙宽度随填充比的变化也存在一个峰值. 不论空气孔型还是介质柱型结构,三角晶格比正方晶格更容易形成帯隙. 关键词： 平面波展开法 TE模 TM模 最大绝对帯隙     

二维复式晶格完全带隙光子晶体缺陷频率的分析

提出了一种具有完全带隙的二维复式晶格光子晶体,该晶体是在二维正方形格子中,旋转截面为正方形的柱子,同时在每个原胞中心引入圆形截面的柱子而形成的,并在其中引入点缺陷。运用平面波展开法并结合超晶胞理论分析此缺陷态光子晶体的频率特性。仿真结果表明,通过调节缺陷的尺寸、角度等结构参量,可以改变缺陷态频率的位置,使TE和TM模缺陷态频率一致,TE模和TM模同时谐振,处于缺陷态频率的入射光就能够完全耦合进点缺陷,具有较高的耦合效率。这种结构的复式晶格完全带隙光子晶体为制作完全带隙光子晶体谐振腔提供了理论基础。     

二维光子晶体分束器的分频效率分析

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导.设计了一种二维光子晶体三通道分束器,采用时域有限差分方法(FDTD),从理论上计算该器件3个通道电磁波的透射率.为了提高电磁波的透射率,通过在波导附近调节介质柱半径,引入两组点缺陷.结果表明,两组点缺陷的介质柱半径选择合适的值,在3个通道中可以得到最佳的电磁波透射率...     

一种计算和分析二维光子晶体缺陷模式的方法

通过改进时域有限差分(FDTD)法,计算和分析了二维光子晶体的缺陷模式。运用一维时域有限差分算法和线性插值法在总场散射场(TF-SF)连接边界引入入射平面波,采用完全匹配层(PML)技术对外行波进行了有效吸收。计算和分析结果表明,在光子晶体非对称方向入射的平面波能激发所有的缺陷模式,选取合适的探测点位置收集电场值,经快速傅里叶变换(FFT)能得到所有的共振峰值。另外,采用该方法研究了二维正方介质柱光子晶体缺陷模的共振频率与缺陷介质柱半径和介电常量之间的关系。结果表明通过改变缺陷的半径和介电常量大小可以在光子晶体禁带中一定的范围内调节缺陷模式的共振频率大小。     

二维异质结光子晶体中含近邻点缺陷的弯曲波导的可调谐滤波特性

应用时域有限差分(FDTD)法,对光在二维异质结光子晶体中含两个近邻点缺陷直角弯曲波导的传输特性进行了数值模拟研究。计算结果表明,具有特定本征共振频率的光子晶体微腔(点缺陷),可将在其邻近波导中传播的相同频率成分的光波"引入"到微腔中。"引入"的频率依赖于异质结光子晶体弯曲波导和微腔的参量,从而能够实现调变"引入"频率。通过改变点缺陷周围介质材料(液晶)的折射率或相关介质柱半径,可分别实现约31 nm或12 nm的波长调谐范围。计算结果为光通信中的调谐、上/下载滤波器,提供了一条新的设计思路和依据。     

Optics design of a top-cut prism interferometer for holographic photonic quasicrystals

Optical interference holography has been proved to be a useful technique in fabricating periodic photonic crystals in which electromagnetic waves are forbidden in certain frequency band-gaps. Compared to periodic crystals, quasicrystals have higher point group symmetry and are more favorable in achieving complete band-gaps. In this report, a top-cut prism interferometer is designed and optimized for photonic quasicrystals. By changing the prism parameters and characteristics of different beams, different quasicrystalline structures can be obtained. At the same time, the diffraction patterns of the designed structures are also provided and reveal the ten-fold symmetry of the structures more clearly. Furthermore, the effect of the intensity threshold on the quasicrystalline structures is also investigated. This will provide guidance for the large-area and fast production of ten-fold quasicrystalline structures with high quality.     

五能级87Rb原子系统中相干诱导的可调谐三光子带隙

研究了一个由两个同向驻波场和一个微波场相干驱动的五能级87 Rb原子系统,并在探测场共振频率处实现了可调谐三光子带隙。利用激光场与多能级原子系综相互作用的密度矩阵方程,结合光脉冲在具有空间周期性介质中的相干传输矩阵理论,推导出了描述相干原子系统稳态条件下的反射谱和透射谱。由数值模拟发现,通过改变驱动场的失谐和拉比频率可以动力学地调控光子带隙的位置和宽度,而且这种相干诱导三光子带隙能够同时操控三个不同中心频率光脉冲的传播。     

等离子体光子晶体的FDTD分析

等离子体光子晶体是等离子体和介质（真空）构成的人工周期性结构.用分段线性电流密度 递归卷积时域有限差分（PLCDRC-FDTD）算法分析了等离子体光子晶体和缺陷等离子体光子 晶体.从时域的角度分析了高斯脉冲在等离子体光子晶体中的传播过程，给出了时域反射和 透射波形.然后，从频域的角度分析了等离子体光子晶体和带缺陷的等离子体光子晶体的电 磁反射系数和透射系数.计算表明，等离子体光子晶体对频率小于等离子体频率的低频电磁 波几乎完全反射，而透射的电磁波则为频率高于等离子体频率的电磁波.在高频，等离子体 光子晶体则出现类似一般光子晶体的光子带隙特性. 关键词： 等离子体 光子晶体 时域有限差分法 等离子体光子晶体     

用传输矩阵法(TMM)研究二维光子晶体传输特性

将传输矩阵法(TMM)用于光子晶体传输特性的理论研究，采用Mur近似吸收边界和周期边界来截断计算区域，研究了以TM模正入射时，二维方格子光子晶体在完整周期结构下和有缺陷结构下的透过率谱；在微波波段制作了光子晶体模型，并设计了实验装置；实验与数值模拟计算取得了基本一致的结果。     

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.     

Two-dimensional photonic crystals with a lattice defect: Spectrum of defect modes, localization of light, and formation of evanescent waves

Properties of an electromagnetic field localized in the defect modes of two-dimensional photonic crystals are studied. The defect-mode spectrum of these structures is calculated, electromagnetic field localization and channeling effects are analyzed, and the properties of the field inside and beyond a photonic crystal with a lattice defect are also studied. The calculations show that the electromagnetic field is localized in the defect mode of a photonic crystal in a region smaller than the wavelength. The dependence of the defect-mode spectrum on the parameters of the photonic crystal is investigated and possibilities for controlling the spectrum of defect modes are indicated. It is shown that the optical field leaving a photonic crystal possesses the properties of a evanescent wave, which means that spatial resolution substantially greater than the wavelength of the radiation can be achieved in the near field and opens up possibilities for using photonic crystals with a lattice defect in near-field optical microscopy. The possibility of externally controlling an optical field localized in the defect modes of a photonic crystals is demonstrated.     

大尺寸SiO2胶体颗粒的重力沉降自组装研究

采用两步法合成了直径分别为782，977，1027，1160和1324nm的SiO2胶体颗粒，透射电子显微镜显示颗粒尺寸的平均标准偏差小于5％.具有较好的单分散性.通过调节SiO2胶体颗粒悬浮液中介质粘度的方法，拓宽了重力沉降自组装的尺寸范围，得到了颗粒直径为700—1300nm的合成蛋白石 ，扫描电子显微镜图像显示它们为面心立方结构，透射谱表征显示它们具有一定的光子带隙. 关键词： SiO2胶体颗粒 重力沉降自组装 合成蛋白石 光子带隙     

电磁感应双光子带隙的产生和控制

基于电磁感应透明技术, 通过求解原子的密度矩阵方程和电磁场的传输矩阵方程, 研究了被行波场和驻波场共同耦合的一个四能级冷原子介质的稳态光学特性, 发现在特定参数下能够产生一个几乎完美的双光子带隙结构, 在这两个光子带隙对应的频率区域内反射率都均匀地超过95%. 通过改变耦合场的强度和频率, 可以方便地调节这两个光子带隙的位置和宽度. 这一双光子带隙结构可用来实现全光路由和全光开关, 有望在全光信息网络中获得应用.     

Suppression and Acceleration Effects of Measurements on A-type Atomic Decay in Anisotropic Photonic Crystals

The measurement-induced suppression and acceleration effects on A-type atomic decay in three-dimensional anisotropic photonic crystals are investigated. We consider the two cases, only one or both of the two atomic resonant frequencies being near the band edge of a photonic crystal. Due to the deformation of the electromagnetic density of states, the repeated projection onto the excited state can lead to decay suppression or acceleration effect already at rather low repetition rates. Such measurement-induced effects are dependent on the frequency of measurements and the relative position of the atomic upper level from the band edge of photonic crystals. The behaviors of instant and effective decay rates are studied in detail, which are different from the case of isotropic photonic crystals.     

Surface wave-induced enhancement of the Goos-Hänchen effect in one-dimensional photonic crystals

The excitation conditions of surface electromagnetic waves in one-dimensional photonic crystals (Bragg reflectors) are studied. Surface electromagnetic waves are visualized by the far-field optical microscopy of the surface of the photonic crystal. The enhancement of the Goos-Hänchen effect by surface electromagnetic waves excited in one-dimensional photonic crystals has been experimentally observed. The Goos-Hänchen shift reaches 30λ for a wavelength of λ = 532 nm.