材料色散对渐变结构一维光子晶体带隙的影响

运用传输矩阵方法及对色散材料采用洛伦兹振子模型,研究了由色散材料构成的介质层厚度为渐变结构的一维光子晶体的带隙特性,并与不考虑材料色散时的光子带隙进行了比较.计算结果表明,考虑色散后的光子带隙既可能变窄也可能增宽,即可能发生红移也可能发生蓝移.光了带隙的改变与色散材料的色散强度和谐振频率及色散前后两介质材料折射率相关.此外,介质材料折射率的变化形式对光子带隙也存在一定的影响.这些为相关光子器件的设计提供了参考.     

一种基于光子晶体的雾霾检测仪的设计

为设计雾霾检测仪,由Si和LiF介质组成了一含缺陷层的光子晶体.在考虑两介质色散关系的基础上,利用传输矩阵法对其透射特性进行了研究.计算表明,此光子晶体在580 ～ 720 nm的范围内出现了一个透射率为1的缺陷模,此缺陷模有如下特征:缺陷层中折射率变化时,不影响缺陷模的透射率,只改变缺陷模的中心位置,且缺陷模的中心波长与缺陷层中的折射率有线性关系.两介质几何厚度分别增加时,缺陷模的透射率不变,但其中心位置红移.缺陷层的几何厚度单独变化时,仅影响缺陷模的中心位置,几何厚度增加,缺陷模中心红移,且移动率一定.缺陷模的以上特征为利用此类光子晶体设计雾霾检测仪提供了有益的指导.     

基于一维光子晶体的Tamm态耦合实现可调双频滤波器

设计一个金属层-DBR-金属层的结构,研究两个相同光学Tamm态的耦合形成的耦合模式的特性.通过传输矩阵法,得出电磁波入射的透射谱.透射谱上有一对间距很小的孪生耦合透射峰.基于这对耦合模式可以实现可调双频窄带滤波器,其通带的位置和间距可以通过改变中间层的一维光子晶体的层数或者改变入射波的入射角度来调节.     

基于声子晶体环形腔的可调声波分插滤波器

设计了两个声子晶体线缺陷波导,通过环形谐振腔耦合,构造出声波分插滤波器,可以上传、下载高品质的声波导模.文中采用有限元方法分析声波在平台中的传播,结果表明,采用方柱体为散射体,谐振腔内腔平滑,可以增强谐振腔局域性;适当旋转耦合方柱体,可以增大透射率,当转角30°时透射率最大;利用环形腔体的旋转可以实现对谐振频率的精细调节.这些研究对声波器件的集成设计具有潜在应用.     

一维光子晶体结构参数的随机扰动对其光学特性的影响

用特征矩阵法研究结构参数存在随机扰动的情况下一维光子晶体的光学特性, 无论是加工过程中介质层几何厚度的误差, 还是介质层折射率的随机波动都会影响一维光子晶体的光学特性.随机扰动对一维光子晶体带结构高频部分影响较大, 造成带结构消失, 甚至全部变成禁带; 随机扰动对光子晶体缺陷模式的影响是使缺陷模的位置发生随机平移, 平移的程度与随机度有关, 介质层折射率的随机变化要比介质层厚度的随机变化对缺陷模位置的影响要大; 周期数目的增加可以部分地减小缺陷模的平移, 但同时会使缺陷模透射率减小,增加缺陷层厚度可以有效降低随机扰动对光子晶体缺陷模式的影响. 本文的研究将对一维光子晶体的设计工作提供有价值的参考.     

远红外全角度光子晶体反射镜的鲁棒性分析

鉴于在制备过程中存在介质层的随机扰动,计算并分析了远红外全角度光子晶体反射镜厚度和折射率的鲁棒性。结果表明,不论是厚度还是折射率的随机扰动,当随机度小于0.05时,全反射镜带隙变化不大;当随机度大于0.1时,随着厚度和折射率的随机扰动逐渐增大,反射镜的全向带隙和带隙率都逐渐减小。当随机度达到0.5时,光子晶体的全向带隙完全消失。本文的研究对远红外全角度光子晶体反射镜的设计和制备提供了有价值的参考。     

一种腔室可调的Helmholtz型声子晶体的带隙研究

本文针对低频噪声的控制问题，设计了一种腔体结构可调的Helmholtz型声子晶体，该结构内腔由一活动伸缩螺杆连接的隔板分为上下两腔，并采用弓字形开口通道设计。采用有限元法对该结构的带隙特性与隔声特性进行了分析，并通过“声力类比”的方法构建了该结构在带隙起始频率与截止频率处的等效模型。研究表明，该结构在500 Hz以下频段内具有6条带隙，最低带隙频率可达31.34 Hz,且在每条带隙频段内都表现出了良好的隔声性能，最大隔声量可达111.95 dB。最后，通过调整伸缩螺杆，改变腔体结构布局，可将多条共振带隙相连，不仅可以构成一个较宽的带隙，而且可以达到调节隔声频段的目的。该设计为改善Helmholtz型声子晶体的隔声性能提供了新的设计思路。     

一维声子晶体缺陷态的研究

用特征矩阵法计算了声波在包含缺陷的一维声子晶体中的传播规律.其带隙结构与不包含缺陷结构的带隙结构相比有明显的不同,系统的透射率不仅与掺杂或替换的介质种类和层数有关,而且与介质的厚度有关.对于通带中的固定频率,透射率随介质厚度的增加呈周期性变化.     

二维声子晶体多点缺陷局域模的分离特性

以二维铝圆柱/空气正方格子声子晶体为研究对象,利用平面波展开法结合超原胞的方法研究了点缺陷局域模的分离特性及模场分布特性.结果表明,多点缺陷引入将使局域声子因散射波之间的干涉而产生局域模的分离,且分离程度与多点缺陷所形成腔的几何形状、封闭程度以及边缘的构造有关;带隙中局域模的模场分布与它在带隙中的位置有关.点缺陷局域模的分离特性在声方向滤波器、窄带声波导方面将有很大的应用价值.     

含缺陷的一维镜像光子晶体的量子理论

用量子理论新方法研究一维镜像光子晶体,将光的量子波动方程应用到一维光子晶体中,推导出量子传输矩阵,量子透射率和量子反射率公式.进一步研究缺陷层数目以及吸收介质和激活介质对一维光子晶体量子透射特性的影响,从而可以设计出光学滤波器、放大器和衰减器.当加缺陷层时,缺陷模出现尖锐峰,当缺陷层数目增加时,缺陷模个数增加,可设计为多通道光学滤波器.在缺陷层中加入吸收介质时,缺陷模强度减弱.在缺陷层中加入激活介质时,缺陷模强度增强,可设计为光学放大器和衰减器.     

光子晶体中掺杂激活杂质的光增益研究

本文借助光子晶体中二能级原子的自发辐射理论说明缺陷态局域场存在的必然性以及局域场基本性质,为研究掺杂自发辐射的内在规律提供了理论依据,在此基础上,将自发辐射理论与数值模拟相结合,在缺陷介质中掺入和未掺入激活杂质时,数值模拟研究一维光子晶体的掺杂局域场特征以及受激辐射增强和透射率大于1现象与光子带隙边缘群速度异常和掺杂层复有效折射率负的虚部之间的内在规律,由此说明如在光子晶体的缺陷介质中掺入激活杂质,复有效折射率具有负的虚部,光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态,具有很大的态密度,这样便可实现自发辐射的增强,出现较强的受激辐射放大,在带隙的边缘处,光子晶体的群速度较小或群速度异常,受激辐射放大最容易出现在靠近光子带隙的边缘。     

基于普通介质无缺陷一维光子晶体高Q值多通道滤波器

设计用常规介质构成的无缺陷的一维光子晶体,用特征矩阵法研究光波在其中的传输特性.在消逝波和传输波相互耦合的传播模式条件下,对特定的入射角度,有多个分离的高Q值频道可以让光波传播.因此可以将该结构用作多通道高Q值频率滤波器.通道位置和数目可以通过入射角度和结构的周期数目进行调节.     

光子晶体多组元缺陷态问题研究

缺陷态光子晶体可以用于制作良好的谐振器、偏振器、滤光器等光学器件,具有重要的应用价值。本文发展了光子晶体缺陷态问题的PG有限元界面问题计算方法,有效地处理了各种不同组元体系、几何结构、界面形状、材料属性以及模态的光子晶体缺陷态问题。数值结果表明,二组元结构单点缺陷对带隙的影响较小,只是使局部范围内的波继续传播而产生一条缺陷带,多点缺陷使一些特定范围内的波可以传播而产生多条缺陷带,线缺陷产生的影响较大,可以使整个禁带消失。结合线缺陷与点缺陷,波导结构中的侧点缺陷可以有效地应用于光子晶体阻带内诱导窄通带或在波导的通带内诱导非常窄的阻带。三组元结构引入了不均匀介质、复杂介质形状以及不同几何结构的缺陷态。通过计算与分析发现Ω₃区域的介质形状对结果影响比较有限,表面层越不光滑禁带越窄,n型缺陷态在TM模中的高频区域更容易产生禁带。对于TE模来说,n型与v型的缺陷态更容易产生禁带。     

Enhanced light extraction in Er3+ doped SiO2–TiO2 microcavity embedded in one-dimensional photonic crystal

Erbium doped silica–titania one-dimensional photonic crystal microcavities have been analyzed by solving the erbium rate equations and the Maxwell equations by means of an auxiliary differential equation finite difference time domain technique. The interaction time between light and matter is enhanced by the presence of microcavity, used to localize the light inside the PC and allows to achieve a significant gain. The investigation treats the influence of the pump signal power, the device length and the dopant concentration, on the optical amplification in correspondence of the defect resonance. A comparison between the erbium doped photonic crystal microcavities and erbium doped photonic crystal band edge amplifiers is reported as well, which shows a higher compactness of the erbium doped photonic crystal microcavities respect with the erbium doped photonic crystals.     

Kerr非线性对一维光子晶体中场分布的调制

本文研究Kerr非线性对一维光子晶体中场分布的影响.计算光子晶体中加入Kerr非线性材料后,入射光强及频率对光子晶体中场分布形态的调制.当入射光强较小时,场分布的节点个数随光量子阱中束缚态频率的下降而增加;当光强足够强时,节点情况不会发生本质的改变,但由于非线性的作用,波峰会发生分裂.     

确定一维声子晶体缺陷模的解析方法

为了确定一维声子晶体缺陷模位置,本文从周期结构的布洛赫原理出发,通过解析方法推导出一维声子晶体缺陷模式所满足的条件及确定的方法.所得结果与其它数值方法进行比较,两者完全吻合.     

Microscopic modeling of the optical properties of semiconductor nanostructures

A brief overview of a consistent microscopic approach to model the optical and electronic properties of semiconductor nanostructures is presented. Coupled semiconductor Bloch and Maxwell equations are used to investigate the performance of semiconductor microcavity structures, photonic band gap systems, and lasers. The predictive potential of the microscopic theory is demonstrated for several examples of practical importance. Optical gain and output characteristics are computed for modern vertical external cavity surface emitting laser structures. It is shown how design flexibilities can be used to optimize the device performance. Nanostructures are proposed where semiconductor quantum wells are embedded in one-dimensional photonic crystals. For field modes spectrally below the photonic band edge it is shown that the optical gain and absorption can be enhanced by more than one order of magnitude over the value of the homogeneous medium. The increased gain can be used for laser action by placing quantum wells and a suitably designed photonic crystal structure inside a microcavity.     

基于带隙分析的三维反蛋白石光子晶体的非理想态结构参数的求解

应用平面波展开法分析了三维反蛋白石结构光子晶体的带隙性质;计算了沿[111]方向入射时其赝带隙(第一、第三赝带)中心频率分别与填隙材料在模板中填充率ff、模板煅烧因子sf的关系曲线:随ff的减小,v增大;随sf的增大,v随之增大,非理想状态下,ff＜100;、sf＞1,因此较理想态发生蓝移;由此提出了求解平均填充率ffev与平均煅烧因子sfev的计算框图.     

复式BN结构固/气型声子晶体的带隙研究

将复式BN结构引入固/气型声子晶体,其基元包含两个截面半径不同的圆柱体,三角格子和石墨结构作为BN结构的特殊情况被考虑在其中.用平面波法研究了其带隙结构,发现改变两圆柱体的截面半径比及填充率,就可调节声子晶体的带隙结构和范围,从而实现有选择性的滤波效应.此外,三角晶格容易在高填充率下获得高频宽带隙,而普通BN结构及石墨结构在低填充率条件下可获得低频宽带隙.