二维平板光子晶体微腔与波导的耦合北大核心CSCD

光子晶体是介质介电常数呈周期性排布的结构,具有光子带隙,处于光子带隙中的电磁波无法在其中传播。二维平板光子晶体是通过在衬底上刻蚀周期性排列的空气孔柱而形成的结构,由于其具有优良的控制光传播的特性而得到广泛的研究和应用。介绍了在二维平板光子晶体中引入缺陷形成的光子晶体微腔和波导的方法和性质。通过调整几何参数控制微腔与波导之间的耦合,实现基于二维平板光子晶体的全光开关、光存储、单光子源等光学器件并讨论其在量子光学网络中的应用。     

二维光子晶体波导和微腔缺陷态研究

利用二维三角晶格及正方晶格介质柱光子晶体TE偏振的禁带与介质柱半径的变化关系,分析了二维光子晶体缺陷态的分布.根据光子晶体波导间的耦合作用,计算其耦合长度设计合理的定向耦合器.通过分析波导与微腔的耦合特性,选取不同的传输方向,可以设计多种基于光子晶体波导与微腔耦合的波分复用系统.     

基于光子晶体渐变型双异构微腔的掺铒硅光致发光研究

实验验证了室温下二维氧化物下包层非对称平板三角晶格光子晶体渐变型双异构微腔对绝缘体上硅(SOI)基片上铒氧共掺硅材料的显著发光增强作用.在波长为488 nm、功率为15 mW激光激发下,微腔的光致发光(PL)谱呈现出一个位于1 557.93 nm通信波长处的尖锐狭窄的发光峰,相比于无光子晶体区域,发光增强了约13倍.谐振峰随光泵浦功率增加,发生明显的红移,Q值逐渐下降,在1.5mW光泵浦功率下,Q值达6 655.微腔谐振波长与光子晶体晶格周期之间呈线性正比关系,通过调整晶格周期,实现了掺铒硅发光增强峰波长的灵活可控.     

二维非线性光子晶体光开关的设计与仿真

光子晶体是一种介电常数周期性排列的人工介质,它对光具有可操纵性。将非线性材料运用到二维光子晶体中,即在普通二维光子晶体波导中引入非线性缺陷,通过控制输入光功率的大小,得到了不同情况下光波在波导中的传输情况,实现了＂开＂＂关＂作用,实验结果表明,开关时间极短,大致在1013—~1014数量级。     

基于双环形谐振腔结构的二维光子晶体波分复用器

为了实现光波的波分复用功能并且提高光波的辐射效率,设计了一种基于双环形谐振腔结构的二维光子晶体波分复用器.首先,对光子晶体结构参数进行设计,通过谐振腔和微腔耦合选择不同频率的光波,设计光子晶体滤波器模型;然后,根据模式耦合理论确定主干波导与谐振腔之间的最佳耦合条件,设计波分复用器;最后,加入散射介质柱并调整两谐振腔之间...     

水下光通信光子晶体多峰滤波器的研究

利用传输矩阵法设计了蓝绿波段的光子晶体多峰滤波器,并研究了影响多峰滤波器的多种因素.结果表明:适当选取光子晶体结构参数,可将透射波段波长移到蓝绿光波段,设计出多峰光子晶体滤波器,适用于多路信号同时传输或双向同时传输.通过对双峰滤波器的优化,可设计出窄带双峰光子晶体滤波器,使多路信号之间干扰小,信噪比也得到改善.     

正方形具有缺陷结构二维光子晶体结构参数对本征模的影响

由于正方形二维光子晶体具有光子禁带,所以在光子晶体缺陷处可形成对光子束缚的缺陷本征模.本征模的频率应在光子禁带频率范围内,而光子禁带频率又取决于光子晶体的结构参数.通过有限元法数值计算得到并图示了正方形具有缺陷结构二维光子晶体本征频率和介质柱半径、晶格常数以及介质柱介电常数之间的关系.利用这些关系当增大介质柱半径而相应减小介质柱介电常数时,本征频率将会保持不变.此外由于光子晶体结构参数的不同,本征模对应的电磁场在晶体中的分布也不同,文中图示了电场强度的大小在一些结构中的分布.     

光子晶体波导与微腔耦合的三通道波分复用器

为了实现对光波有效的选择输出,并且使光波的带宽很小,设计了微腔耦合的三通道波分复用器。对该器件采用时域有限差分法和微腔与波导间耦合模进行研究。首先,根据微腔选择不同频率的光波,设计光子晶体滤波器模型。然后,基于光子晶体耦合模理论,由定向耦合波导和一个高品质因子微腔构成的波分复用器。最后,为了提高输出光的透射效率,在波分复用结构的主波导的输出端,增加五个介质柱,形成一个反射层。实验结果表明:此结构能够通过微腔选择不同频率的光波,经过优化设计后的波分复用模型,光波的透射率得到了提高,波长λ=1.763μm的光波达到透射率将近90%。在光子晶体中取多个微腔可以选择输出更多波长的光波,所以这种结构在光子晶体集成器件的制作上有很好的应用前景。     

光子晶体的微腔特性

为了设计一种高品质因子的光子晶体微腔和研究单缺陷光子晶体微腔谐振模波长随晶格常数的变化规律,使用时域有限差分法(difference time-domain method)和基于Baker算法的Padé近似方法计算了半导体材料上空气孔阵列光子晶体微腔的谐振模波长和品质因子.得到的新型光子晶体微腔的品质因子达246510,单缺陷光子晶体微腔模波长随晶格常数a和孔半径r的近似为线性变化关系:当孔半径r为一常数时,表现为晶格常数改变1nm,谐振波长变化约3nm,为实际制作光子晶体微腔激光器提供了理论指导.     

光子晶体的微腔特性

为了设计一种高品质因子的光子晶体微腔和研究单缺陷光子晶体微腔谐振模波长随晶格常数的变化规律,使用时域有限差分法(difference time-domain method)和基于Baker算法的Padé近似方法计算了半导体材料上空气孔阵列光子晶体微腔的谐振模波长和品质因子.得到的新型光子晶体微腔的品质因子达246510,单缺陷光子晶体微腔模波长随晶格常数a和孔半径r的近似为线性变化关系:当孔半径r为一常数时,表现为晶格常数改变1nm,谐振波长变化约3nm,为实际制作光子晶体微腔激光器提供了理论指导.     

平面光子晶体环形腔滤波器的数值研究北大核心

根据光子晶体中波导与腔的耦合特性,设计了一种由波导与环形腔耦合实现窄带滤波的光子晶体结构。用有限元法分析了环形腔不同结构参数对各个端口透射光功率谱的影响,由此可以根据所需波长要求设计不同结构的环形腔滤波器结构,并可通过改变边界散射介质柱的排列和环形腔边界介质柱的半径,减少波导与环形腔之间的散射损耗,达到最佳滤波效果。文章可为密集波分复用系统中光学滤波器的集成以及窄带滤波器的设计提供一定的参考。     

利用光子晶体提高InP基LED出光效率

应用FDTD方法计算了二维无限大光子晶体的能带结构,并制备出了InP基二维平板结构的光子晶体器件.在制备过程中尝试了仅用PMMA做掩模以及PMMA和SiO2做掩模两种方法.结果表明,不使用SiO2做掩模的情况下,由于PMMA胶选择性较差,在刻蚀过程中难以保证图形的准确转移.而增加SiO2掩模后,获得了图形质量良好的光子晶体结构.成功实现了利用光子晶体结构增强LED的出光效率,与未制作光子晶体结构的LED相比,光子晶体结构LED的出光效率可在原来基础上提高1倍以上.并且随着晶格常数的增加,出光效率进一步提高.     

高效的光子晶体6-信道下载滤波器的设计

基于二维光子晶体波导与点缺陷微腔共振耦合原理,设计了一种利用共振微腔作为反射的6-信道下载滤波器.采用二维时域有限差分法对该结构器件的传输性能进行了模拟,结果表明该结构的滤波器能将主波导中的波分复用信号下载至与点缺陷频率共振的各分路波导中输出,信道波长间隔为20nm,传输谱中心波长误差小于±2nm,半宽度为3.4nm,具有良好的波长选择性.证实了加入共振反射微腔确实有效地提高了各个分路的下载效率,其效率在67%～98%之间.     

利用光子晶体提高InP基LED出光效率

应用FDTD方法计算了二维无限大光子晶体的能带结构,并制备出了InP基二维平板结构的光子晶体器件.在制备过程中尝试了仅用PMMA做掩模以及PMMA和SiO2做掩模两种方法.结果表明,不使用SiO2做掩模的情况下,由于PMMA胶选择性较差,在刻蚀过程中难以保证图形的准确转移.而增加SiO2掩模后,获得了图形质量良好的光子晶体结构.成功实现了利用光子晶体结构增强LED的出光效率,与未制作光子晶体结构的LED相比,光子晶体结构LED的出光效率可在原来基础上提高1倍以上.并且随着晶格常数的增加,出光效率进一步提高.     

基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器研究

鉴于光子晶体具备控光能力强和响应速度快等优点,设计了基于二维光子晶体带隙及自准直效应的光分插滤波器。将二维的正方晶格介质柱当作材料,并融合光子晶体带隙、自准直效应实现光分插滤波器设计。引入平面波展开法,实现完整周期光子晶体架构求解。引入时域有限差分法,获取晶体中的电场磁场整体分布。模拟结果显示,该结构耦合效率与品质因子良好,且场图模拟与对应结构透射谱拟合度较高,表现出了较强的可实践性。     

二维光子晶体对面发射激光器横模控制研究

垂直腔面发射激光器的单模输出特性在光网络数据传输光互连、光存储和激光打印中有重要的应用.传统的氧化限制型垂直腔面发射半导体激光器由于串联电阻大、发热严重而很难工作在单模状态.二维光子晶体结构可以有效地控制垂直腔面发射激光器的横向模式,使器件工作在单模状态下.从理论上系统研究了光子晶体垂直腔面发射半导体激光器的单模条件,成功设计了一组单模光子晶体垂直腔面发射半导体激光器,并通过常规工艺制作出功率0.6 mW、边模抑制比大于30 dB、阈值电流4 mA、远场发散角8.4°、不受电流注入影响的单模光子晶体垂直腔面发射半导体激光器.实验证明:光子晶体可有效地进行横模控制.     

光子晶体全光逻辑或非门和非门的设计优化

提出了一种二维三角晶格光子晶体“或非”和“非”全光逻辑门设计.该设计使用空气中的硅介质柱光子晶体材料,其主体为四根光子晶体波导组成的四端口结构.通过平面波展开法和有限时域差分法计算了其能带结构和光学传输特性,并对其逻辑功能进行了分析.结果显示,通过控制光相位,该结构能够实现“或非”和“非”逻辑功能,结构尺寸为9.675μm×7.820 μm,响应周期为0.388 ps.     

含缺陷光子晶体波分复用器研究

利用光子晶体的光子禁带和体积小的优点,在光子晶体中适当设计线缺陷和点缺陷,使这些缺陷会形成波导和微腔.根据耦合模理论,波导与波导及波导与微腔之间会发生耦合现象,通过调节耦合长度和微腔中心半径的大小,可以选择不同波长的光波在各信道中通过.依此原理,可以制作相应的光子晶体波分复用器.     

混合光子晶体等离子激元纳米微腔

构建了一种三层混合光子晶体等离子体激元结构,分别为金属银(Ag)层,低折射率二氧化硅(SiO2)层和二维光子晶体层。这种混合光子晶体等离子体激元结构具有明显的横磁模(TM)模式带隙。在二维的光子晶体层的中心引入一个单元胞缺陷,形成缺陷腔结构。这种纳米尺度的光子晶体等离子体微腔的体积远小于传统介质的光学微腔,光子能量可以很好地被局域到低折射率层,实现了深亚波长尺度下的对光的限制。通过改变该混合光子晶体等离子激元结构的参数,利用三维时域有限差分(3D-FDTD)方法,分析了这种混合光子晶体等离子微腔结构的光学特性。分析表明:这种纳米微腔具有极小的模式体积0.0141(λ/n)3和高的Q/V值。     

复合结构光子晶体耦合腔波导慢光特性研究

为了设计能够传输宽带低色散慢光的光子晶体波导,以三角晶格圆形介质柱光子晶体结构为基础,使用圆形散射元和椭圆形散射元进行周期性排列,采用平面波展开法对所设计的耦合腔波导进行了仿真分析。结果表明,调整缺陷行椭圆形散射元长轴R_a可以使导模最大群速度从0.035c降低到0.01c,调节缺陷行短轴R_b的值,可以再次降低导模群速度;通过改变微腔周围第1排两种散射元的面积比,能够得到最大群速度0.0065c,波长范围为3.25nm的低色散慢光;将所设计的耦合腔应用于光缓存中,计算得出缓存时间为76.82ps,存储容量达到了15.56bit。这项研究对新型光子晶体慢光器件的设计和应用具有参考意义。