时域有限差分法在一维光子晶体数值模拟方面的研究

介绍了时域有限差分法的基本原理,并对一维光子晶体薄膜中传播的电磁场作了模拟和分析。通过对光子晶体透射谱的研究,讨论了不同周期数和不同介电常数比对光子晶体带隙的影响,最后通过在周期介质层状结构中引入缺陷层构造了光子缺陷态。     

一维缺陷光子晶体传输特性研究

针对一维光子晶体的光学特性,利用传输矩阵方法讨论了周期数、缺陷层折射率等参数对一维缺陷光子晶体传输特性的影响。研究表明,在后面周期介质数比前面周期介质数少一层时,禁带中心的导带透射率最好;而缺陷层的折射率在取2.4左右的情况下能够得到反射率最低的导带;随着m值的增大,光子晶体禁带和导带数量按照一定规律增加。以上结论对制作多通道滤波器有一定的参考价值。     

多信道二维光子晶体滤波器

根据光波模在光子晶体线缺陷波导和环形谐振腔之间的耦合原理,在二维三角晶格光子晶体中设计了一款由线缺陷主波导、环形谐振腔、60°弯下载波导组成的多信道下载滤波器。利用平面波展开方法计算了完整光子晶体及线缺陷波导的能带结构;基于时域有限差分方法计算了各目标频率光信号在器件中的传输特性,分析了影响器件耦合效率的因素并对其进行了改进。分析表明:通过改变环形谐振腔内介质柱的半径可以调节光子晶体环形谐振腔的谐振频率,而改变线缺陷主波导与环形谐振腔之间耦合区域中介质柱的形状以及将直下载波导改换成60°弯下载波导可以提高线缺陷主波导、60°弯波导与环形谐振腔之间的耦合效率。计算结果显示:优化后的多信道二维光子晶体滤波器具备优良的选频功能,各目标频率光信号的透射率均达90%以上。与传统半导体介质材料器件相比,该器件体积较小,结构简单,易于大规模集成,很有应用前景。     

带反射回馈的高效光子晶体多路滤波器件

光子晶体制备的滤波器件在光通信中有巨大应用潜力,但普通的基于2D光子晶体的多分路滤波器因为抽取效率不够高,无法达到实用化的要求。本文通过给上述滤波器加入新结构,提出了性能更好的分路滤波器模型。具体的改进结构有两种:一种是在主波导末端放置一个反射微腔,另一种是在主波导两侧放置多个反射微腔。通过时域有限差分(FDTD)法对光波在这两种结构中的传播进行了模拟分析,并绘出了光波能量传播示意图。结果表明,该结构可以明显地减少光波损耗,提高抽取效率。这两种结构器件的理论抽取效率达到了60%~90%,大大高于普通结构的30%~40%的水平。这也说明了反射微腔的新颖结构对改进光子晶体滤波器的重要作用。     

四通道二维光子晶体解波分复用系统

利用光子晶体环形腔缺陷模与线缺陷波导之间的共振耦合原理,设计了一种由主波导、环形腔和60°弯波导组成的四通道二维三角晶格光子晶体解波分复用系统。通过平面波展开法计算线缺陷波导的能带结构;利用时域有限差分法(FTDT)计算了不同频率的光波在该系统中的传输特性。最后,分析了影响输出效率和品质因子的因素并对该系统进行了改进。分析表明:改变环形腔内介质柱的半径可调节谐振频率,而在主波导末端增加反射介质柱以及改变耦合区域中介质柱的形状可提高各通道的谐振频率光波的透射率。计算结果显示:该系统较好地实现了4个波长的解波分复用,透射率均达90%以上。另外,该系统结构简单,便于加工制造,且体积小,有利于大规模集成。     

含特异材料缺陷层一维光子晶体多缺陷现象及其内部场分布

通过数值模拟和理论分析含特异材料缺陷层一维光子晶体中特异材料折射率与缺陷模式的关系,从而发现调节特异材料折射率可以得到不同状态的振荡透射模。同时还分析了保持特异材料折射率不变的情况下其它材料折射率改变对缺陷模式的影响,理论模拟了含特异材料缺陷层一维光子晶体内部场分布,从而可以非常清晰地再现缺陷模式的局域特性。     

二维光子晶体光波导透射特性的研究

用时域有限差分方法(FDTD)研究光波在光子晶体光波导中的传播规律,发现不同形状的波导能够导引不同频率的光波。光子晶体波导的带隙宽度和透射系数与该波导的结构和参数都有很大的关系,随着介质柱半径的变化,带隙呈现一定的变化规律,介质柱半径变小,该波导的带隙向高频方向移动,且带隙的宽度变宽;而介质柱半径变大时,光波的透射峰的峰值却变得比较大,损耗变小。研究结果为光子器件的设计提供了理论依据。     

四边形周期结构负折射介质光子晶体光纤的设计

提出了一种纤芯与介质柱为负折射率材料、衬底为正折射率材料的新型四边形周期结构光子晶体光纤(PCF)。介绍了它的结构设计,研究了光子带隙效应导光特性。与传统四边形周期结构光子晶体光纤相比,该种光纤可以实现带隙效应导光传输,取填充比f=0.7时可获得光子带隙传输范围为880~4140nm,可应用于远红外光通信中。     

多信道异质结构光子晶体滤波器

利用二维正方晶格介质柱型光子晶体(PC),设计了一款由4个线性渐变型微腔和异质结构光子晶体反射器组成的多信道下路滤波器。利用平面波展开法(PWE)以及二维时域有限差分法(2D-FDTD)分析了该异质结构滤波器的工作机制,并进一步探究了微腔参考面与异质结界面之间距离对下路效率的影响。研究表明,滤波器中的异质结反射器可以实现接近100%的反射,从而大幅度地提高了三端口滤波器的滤波效率。设计的多信道滤波器各个通道都能有效地实现下路滤波功能,其信道间隔为10nm,滤波效率均在90%以上,透射谱半高宽均在0.54nm以下,实现了较高的品质因子特性。该滤波器尺寸只有15.15μm×13.91μm,且滤波效率很高,适于在波分复用系统中进行复用与解复用,在未来光路集成应用中具有良好的应用前景。     

一种新型的光子晶体波导

提出了一种新型的能够实现定向辐射的光子晶体波导。数值仿真结果显示这种光子晶体波导具有更好的定向辐射性能。这种结构能够用于提高传统的介质波导和光子晶体波导之间的耦合效率。     

二维光子晶体偏振分光镜

简要介绍光栅为基板的用Si/SiO2膜系实现中心波长为1.5μm二维光子晶体全角度偏振分光镜的设计,此设计方法使二维光子晶体的制作简单。设计波长为1.37μm～1.76μm,理论上相对带宽为32.8%。利用二维光子晶体的带隙效应设计偏振分光镜,理论上是全角度偏振分光镜。     

基于亚波长光栅的负折射光子晶体成像研究

理论上折射率为-1的平板超透镜可以实现完美成像,但等效折射率为-1的光子晶体结构,不满足介电常数ε=-1和磁导率μ=-1的条件,光子晶体与自由空间阻抗不匹配,某些角度的入射光与光子晶体内布洛赫波不能耦合,致使该空间频率光信息丢失,限制了光子晶体成像分辨率。为了提高成像分辨率,在光子晶体表面设置亚波长光栅结构,利用光栅的增透减反和波矢匹配作用,提高光子晶体对入射光的耦合效率。通过调整光栅周期,使更多高空间频率分量参与成像,同时抑制低频分量的传输。设置亚波长光栅结构后,光子晶体成像分辨率由597 lp/mm提高到了850 lp/mm,突破了衍射极限。     

光折变聚合物材料的应用研究

光折变聚合物材料是一种具有良好的光学处理能力的非线性光学材料,近年来引起了研究者的广泛关注。简要介绍了光折变聚合物材料在自相位共轭及光信息存储等方面的应用,并指出光折变聚合物材料中存在光子带隙,预测了光折变聚合物材料有可能作为光子晶体来应用。     

一种具有完全光子带隙的二维光子晶体薄膜

简单介绍利用光子晶体的概念,提出一种正方结构的类似棋盘式的二维光子晶体结构,根据光子晶体能带理论计算并设计了这一结构,利用碲化铅(PbT e)与一氧化硅(S iO)材料对组合,可在此两种材料的透光区波段内,获得具有TE与TM的重合完全光子带隙,相对宽度为4.55%,其意义是可以制作全角反射镜和偏振分光镜,文中为实际制备这一器件结构提供理论指导和可行性分析。     

基于同轴光子带隙晶体的应变传感器

基于微波网络理论,提出了一种基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器的设计方法。给出了同轴光子带隙晶体传感器的结构形式,推导了传感器带隙极值频率与晶体电长度之间的关系。根据给定监测频点设计了传感器的几何尺寸及材料参数,计算了传感器的S参数,计算结果与仿真结果相吻合。分析了提高该传感器灵敏度和品质因数的方法,并搭建了实验测试平台。实验结果表明:当应变量由0με提高至10 000με时,极值频率由2.450GHz移至2.432GHz,频移量为18 MHz,灵敏度为1.8kHz/με。得到的实验结果与仿真结果相吻合,验证了本文所提出的基于变绝缘层的同轴光子带隙晶体应变传感器设计方法的可行性和有效性。该传感器可满足不同灵敏度需求下对应变的实时监测。     

太赫兹波段光子晶体温度传感器的研究

使用对太赫兹波段有吸收效应的掺杂硅设计光子晶体结构,使得在光子带隙内的光波被吸收,并加上金属反射镜面将光子晶体的吸收峰和法布里-珀罗(F-P)谐振吸收峰结合,使此结构在0.29～0.31 THz波段达到宽频吸收,并且在0.31～0.34 THz波段通过测量光子晶体的反射率可以计算出对应温度。在使用商业电磁仿真软件CST2014仿真和优化参数后,反射率对应温度变化的变化范围是0.09～0.36,即最大值与最小值有4倍之差,这一特性表明,此结构的反射率变化随温度变化十分明显,是一款十分灵敏的温度传感器。此外,在入射角不大于40°时,结构性能依然良好。     

Improved scheme for the determination of methanol using a two-dimensional photonic crystal

This paper reports a new method of detecting the concentration (mol?L^?1) of methanol by the use of a two-dimensional photonic crystal slab. Photonic band gap parameters are calculated using the plane wave expansion method. To find a model which has higher accuracy and practicality or applicability, fill factors used to analyze and compare the properties of the slab were computed. There is a linear proportional relationship between photonic band gap and dielectric constant of solution, which can be utilized to measure the concentration of methanol. The start frequency and the cutoff frequency also have a linear relationship with the dielectric constant of solution. The results show that a honeycomb lattice structure possesses better self-test functionality.     

二维光子晶体波导传输特性的研究

为了研究二维光子晶体波导的传输特性,应用平面波展开法计算得到在0．216～0．35229,0．432-0．48386,0．76886-0．79716Hz波段的光波能在波导中很好的传输。并且分析了当圆柱半径从0．1a～0．5a发生改变时的带隙规律,从而为光子晶体波导器件的开发提供了理论依据。