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。     

一种立方棱镜带通滤光片的设计

提出了低偏振分离的立方棱镜带通滤光片的设计方法。为减小光在立方棱镜中s、p偏振光的偏振分离,采用三种材料来构成带通滤光片的反射镜,并采用不同折射率排列的反射镜结构构成嵌入式的多个带通滤光片,既提高了s、p偏振光的通带透射率,又减小了s、p偏振光在通带中的偏振分离和偏振位相差。通过改变反射镜的基本周期数和滤光片的周期数,可以调节滤光片的通带宽度和截止度,经膜厚优化,得到满意的设计结果。     

具有缺陷的一维光子晶体空间滤波器

具有缺陷的一维光子晶体结构中,群速度延迟在缺陷模处会发生突变,从而共振隧穿的光波会发生大的测向位移。将具有多个缺陷的一维光子晶体作为色散元件,设计了能够将两通道和三通道滤光片在斜入射条件下进行波长空间分离的空间滤波器。该空间滤波器具有制备简单、能够同时进行多路空间滤波的特点。     

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。     

周期性渐变折射率光学薄膜的设计及光谱特性分析

分析折射率呈不同函数分布的周期性渐变折射率薄膜的光谱特性,分析表明光谱曲线具有负滤光片的特性。分别从最低和最高折射率、周期数、周期厚度的角度,对用共蒸法制备的周期性渐变折射率薄膜光谱特性进行了详细分析讨论。结果表明截止带中心波长和截止带宽度与周期厚度成线性关系,截止带中心波长的反射率与周期数成三次多项式关系。用堆叠和叠加两种方法设计渐变折射率多截止带负滤光片,并分析两种方法在共蒸法方式制备下的优缺点。最后总结出了渐变折射率负滤光片的设计方法。     

ITO/Ag光子晶体薄膜的制备及性能

考虑材料的电磁屏蔽特性和可见光透过的矛盾,设计了以铝/氧化铟锡(Ag/ITO)为周期的光子晶体薄膜以实现电磁屏蔽和可见光透过的兼容。首先根据电磁屏蔽和可视的双重需求,优化了光子晶体的组份并对其性能进行了研究。接着采用磁控溅射方法制备了以Ag/ITO为周期的光子晶体薄膜,并对光子晶体薄膜的屏蔽和可见光透光率进行了测试和分析。实验结果表明:这种光子晶体薄膜在金属Ag总膜厚大于可见光趋肤深度而远小于微波波段趋肤深度时,在可见光波段的最高透光率高达55%,而在微波x频率段的屏蔽性能最高可达65dB。通过结构设计,使薄膜的可见光透光率曲线与人眼的敏感曲线相吻合。随着每个周期Ag膜层的厚度增加,方阻相应降低,微波屏蔽性能相应提高。随着周期数的增加,薄膜的可见光透光率没有相应降低、屏蔽性能没有相应提高。设计的光子晶体薄膜在30 MHz~18GHz较宽波段的屏蔽性能均大于40dB。这种设计方法为材料的电磁屏蔽和可见光透明兼容开辟了一条新的技术途径。     

红外/毫米波二向色镜的设计与制备

介绍了一维光子晶体技术在薄膜设计的应用,分析了IR/mmW二向色镜的基板材料和薄膜材料的选择原则,并利用一维光子晶体技术设计了中红外(3～5μm)波段的宽角高反射膜系,最后给出了实验制备工艺以及测试结果.     

用FDTD法分析二维光子晶体带隙

阐述了光子晶体的概念,用时域有限差分法,通过数值计算,模拟分析了准一维光子晶体和二维光子晶体的禁带,讨论一种准一维和二维的混合光子晶体,并对其禁带进行研究。结果表明当一维光子晶体的周期性结构与二维光子晶体的周期性结构混合在一起能形成更宽的光子禁带。     

散射矩阵法研究弹性波在异质结声子晶体中的谐振

利用散射矩阵把弹性波在相邻介质层中的前向波和后向波联系起来。利用散射矩阵法计算一维完整和缺陷声子晶体的透射和反射特性,得到与传输矩阵法完全相同的结果。用该方法研究了弹性波在含两个子声子晶体:相同介质不同周期常数,不同介质相同周期常数的异质结声子晶体中的传输特性。结果表明:在异质结的声子晶体的带隙内出现强烈的局域谐振模,其数目由后一个声子晶体的周期数决定。     

稳定的窄带干涉滤光片

滤光片通带中心波长λ０ 的稳定性,是使用过程中最重要的性能参数。该文从薄膜材料的“微孔度”出发,实验筛选出两种“微孔度”最小的膜料,用以组成窄带干涉滤光片。研配一种新的完全中性的光学胶,它不与滤光片膜层发生任何化学反应。再辅以其它工艺措施,成功制作出高稳定度的滤光片。滤光片存放３ 年,其λ０ 未发生漂移。这些滤光片已用于激光测距等多种军事工程,它们的长期稳定性在战备环境中得到了进一步验证。此外,该文还提出了一种新的膜厚监控方法。     

Ta2O5/SiO2三维光子晶体的制作及光学性能

利用自我复制的方法制作了可见光谱区的三维光子晶体,用反射光谱研究了光子晶体的光学特性。采用平面波理论计算了光子晶体的光子禁带(PBG),实验结果与理论符合得较好。采用两步生长法将荧光染料(rhodamine 590)置于光子晶体内部,实验结果表明,染料的荧光光谱受到了光子晶体的强烈调制。     

Analysis of photonic crystal on LED extraction efficiency

Because of its very low light extraction efficiency (LEE),LED is limited to be widely used under the condition of the internal quantum efficiency which up to 90％.In order to fullfill the design of a mo...     

光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用

探讨了光子晶体负折射效应在糖溶液浓度检测中的应用,在软件中使用时域有限差分法对光在光子晶体中的传播进行了模拟实验。模拟显示：糖溶液的浓度变化与输出功率变化接近线性关系,而线性相关程度受介质柱半径常数的影响。进行了多组参数比对与优化,最终获得了线性度最高的输出功率与糖溶液浓度的对应关系。基于这个对应关系,提出了基于光子晶体负折射效应的糖溶液浓度检测方法并设计了相应的糖溶液浓度检测器。实验结果表明：基于光子晶体的糖溶液浓度检测器具有结构简单、测量精度高、响应速度快、易于与激光器件集成且不受外界电磁环境影响等优点。     

基于LabVIEW制备硅基一维光子晶体的计算机驱动程序

在制备硅基一维光子晶体如多孔硅分布Bragg反射镜和多孔硅微腔的实验中，为实现电脑程序驱动的电化学腐蚀平台的精确控制，使制备的光手晶体高低折射率层的界面更平整和硅孔大小更加均匀，我们利用NI推出的虚拟仪器开发平台软件LabVIEW编写了一套制备硅基一维光子晶体的计算机驱动软件。实验结果发现，由该软件驱动Keithley2400数宇电源制备的PS—DBRs显示出了纳米级平整的界面和反射率高，阻止带宽的光学特性。     

五筒晶格光子晶体的带隙分析

针对地下磁性掩埋物检测时,磁异常信号信噪比低的问题,提出基于小波熵的微弱磁异常信号降噪方法。小波变换对弱磁异常信号进行提取的关键在于确定小波系数的阈值。为此,引入反映信号能量分布特性的小波熵概念和一个调节因子,最终确定阈值,利用软阈值方法处理高频系数。通过计算机仿真对算法进行了检验。结果表明:该算法可以有效地提高信噪比,还原原始信号。     

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。     

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。     

二维硅薄膜光子晶体波导的设计及制作

为了制作可用于通信波段的二维硅光子晶体波导,研究了光子晶体波导的设计方法及制作工艺。应用平面波展开法计算了两种空气孔型光子晶体结构的TE波禁带,经筛选采用了三角晶格空气孔结构。同样利用平面波展开法计算了引入缺陷后二维三角晶格空气孔型光子晶体波导结构的TE波禁带,经对比发现归一化频率为0.295 7的缺陷态最适宜用来制备光子晶体波导,并据此设计了用于1.55μm波长的二维三角晶格空气孔型光子晶体波导,其晶格周期为458nm,空气孔直径为339 nm。对设计的结构参数进行了容差计算,结果表明误差在-3.95~5.65 nm方能满足设计要求。最后使用聚焦离子束刻蚀工艺,制作了所设计的波导结构,并进行了测试。测试结果表明,样品实际晶格周期为463nm,空气孔直径为344 nm,比设计值大5 nm,在容差允许范围内,满足设计要求。     

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。