带边工作的光子晶体平板的设计与制作

光子晶体的带边群速度反常特性可以用于放大一些光学过程,从而在光电子学领域中具有广泛的应用前景.文中以SOI材料为例,利用3D PWE法对带边工作的光子晶体结构参数进行设计,采用电子束曝光和ICP刻蚀方法结合在SOI衬底的顶层Si上刻蚀三角晶格的空气孔形成光子晶体结构.并通过透射特性测量得到了带边的位置,发现与设计值存在一定的偏差,主要是实际制作的空气孔尺寸比设计值大的缘故.通过在同一样品上制作一组晶格常数相同、孔半径不同的光子晶体结构,得到了带边位置位于1548nm波长的光子晶体,与设计的1550nm基本相符.     

PbS量子点电致发光器件中的光子晶体结构设计

将PbS量子点电致发光器件的发光层引入二维光子晶体结构,利用光子晶体的光子带隙效应提高器件的发光效率。采用平面波展开法计算了以空气为背景,由圆形或方形介质柱所构成的不同晶格排列的光子晶格的能带图,获得光子晶体结构参数对完全带隙的影响规律。结果显示:采用方形介质柱以蜂窝方式排列的光子晶体在填充率f=0.283时具有较宽的完全带隙△ω=0.134 6(2πc/a)。利用有限元法模拟了晶格常数a=476 nm,方形介质柱边长l=167 nm时,波长为1 124 nm的光在该光子晶体中传播的光场分布图。计算得到具有该光子晶体结构的PbS量子点电致发光器件的发光效率可达57.9%。     

工作在1550nm的全固态光子晶体光纤的设计

利用全矢量平面波展开法对三角形排布孔包层-圆纤芯结构的光子晶体光纤的光子带隙特性进行了数值模拟,对比研究了传统光子晶体光纤(空气-石英纤芯结构)和全固态光子晶体光纤(非空气-石英纤芯结构)的光子带隙(导模)与结构参数(包层孔直径dclh、包层孔间距和包层孔填充比f)的关系,设计出了一组合适的结构参数(纤芯直径dco＝5.3 m,包层孔材料的折射率nclh=1.65,dclh＝1.0 m,＝2.0 m,f＝0.7),可以使相应的全固态光子晶体光纤工作在1 550 nm的现代光通信波长上,且光子带隙可以达100 nm.     

基于SOI的光子晶体波导的研究

给出了基于SOI晶片、带隙中心位于1550nm的光子带隙材料及光子晶体波导器件的设计方法。采用基于超原胞的平面波展开法和基于完美匹配层边界条件的三维时域有限差分法,对二维光子晶体平板的带隙结构及光波传输进行仿真。在大量计算和优化的基础上,设计了适于248nm深紫外曝光和0.18μm离子束刻蚀工艺的光子晶体带隙材料及波导器件,得到了初步的工艺实验结果和样品SEM测试结果。     

不同结构二维光子晶体的带隙特性

应用平面波展开法数值模拟了不同结构二维光子晶体TE模带隙特性,数值模拟得到正方形、正三边形和正六边形圆柱光子晶体结构的TE模带隙特性,比较得到正三边形圆柱结构光子晶体能够形成较宽TE模带隙结构.改变正方形圆柱光子晶体结构形成正方形椭圆柱结构和长方形圆柱结构光子晶体,比较得到长方形圆柱结构光子晶体形成带隙宽度较宽.研究就论为制作TE模滤波器件提供理论参考.     

基于一维光子晶体高阶禁带性质的带阻滤波器研究

设计了一种基于一维光子晶体(PC,photonic crystal)高阶禁带性质的新型带阻滤波器,其结构形式为Si(空气|Si)5,晶格周期长度为15μm,滤波中心频率位于1.55μm,带宽约为10nm。利用光刻和ICP(inductively coupled plasma)刻蚀技术,将这一滤波器制作在SOI材料上,并对其透射谱特性进行理论计算和实验测量。结果表明,理论计算和实验测量的结果吻合良好,证明了高阶禁带是降低PC加工难度的有效方法。     

基于光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅设计与制备

刻蚀衍射光栅作为波分复用/解复用器件,有望在光通信系统中得到广泛应用。在基于顶层硅厚度为220 nm的绝缘体上硅材料上设计并制作了一种新型刻蚀衍射光栅,该刻蚀衍射光栅引入六角晶格空气孔型光子晶体作为其反射镜。模拟结果显示,相较于传统的阶梯光栅反射镜的刻蚀衍射光栅,光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅在理论上可有效降低器件的制作工艺难度以及插入损耗,同时可以实现器件偏振的保持。随后仅利用一步电子束光刻工艺及一步电感耦合等离子体刻蚀工艺制作了该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅。测试结果表明:该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅片上损耗为9.51~11.86 dB,串扰为5.87~8.72 dB,后续可通过优化工艺条件和优化输出波导布局,进一步提高器件的性能。     

八角晶格光子晶体光纤的色散特性分析

应用多极法对八角晶格光子晶体光纤(O-PCF)的色散特性进行了数值模拟,并与空气填充率相同的六角晶格光子晶体光纤(H-PCF)进行了对比,发现O-PCF比H-PCF更易用于色散补偿;研究了O-PCF包层空气孔直径、孔间距和孔层数对色散特性的影响,得到了色散随各个结构参数变化的规律;最终选择了适当的结构参数,设计了在1.3～1.6 μm波段内具有超平坦零色散特性的O-PCF.文章的计算和分析可以为设计适当色散特性的光子晶体光纤提供理论依据.     

复合蜂巢晶格光子晶体光纤的带隙结构研究

提出了基于复合蜂巢晶格的光子晶体光纤。该光纤包层蜂巢结构每个单元内部包含 有一层空气孔,它们形成另一个蜂巢结构。采用平面波展开法研究了这种复合结构的光子晶体光纤的带隙结构随内层蜂巢晶格参数的变化规律。研究发现,内层晶格位置存在一个临界值,在该值以下,光纤的带隙减小。同时得到了一些晶格参数使得次带隙得到抑制,而主带隙大小基本不变。     

超快速有机光子晶体光开关

光子晶体光开关是一种重要的集成光子器件，它基于光子带隙特性来实现对光的传输过程进行“开”“关”控制作用，在超快速信息处理和光通讯等领域都具有非常重要的应用前景。聚苯乙烯是一种非线性有机共轭聚合物，其三阶非线性光学效应来源于共轭π电子的离域极化，因而具有较大的三阶非线性系数和飞秒量级的超快速时间响应。聚苯乙烯在400nm附近有一个线性吸收区。我们采用Spin-coating方法在石英基片上制备厚度为300nm的聚苯乙烯薄膜，利用聚焦离子束刻蚀技术来制备二维正方晶格聚苯乙烯光子晶体，晶格常数330nm，空气孔半径130nm，光子晶体中间有一宽度为450nm的线缺陷。