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。     

三维光子晶体的制备研究

由于光子晶体可用于制造无阈值激光器、集成光学中转弯曲率半径极小的光路等,已受到人们的广泛关注. 我们采用多种方法制备了微粒球密堆积的蛋白石和反蛋白石结构的光子晶体.包括:利用溶胶-凝胶技术合成出单分散的直径在200～300 nm的SiO2小球,采用"稳态单向对流聚集"法、重力沉积法和提拉法,制备了SiO2微粒球单层和多层的光子晶体.用单分散的直径为200 nm的聚苯乙烯(PS)微粒球,通过重力沉积的方法制备出蛋白石结构的光子晶体样品,然后在PS孔隙中渗入TiO2起始溶液,形成反蛋白石结构的光子晶体.通过反射光谱、透射光谱、扫描电镜等手段表征,证实了我们确实已得到了质量好的光子晶体.我们还结合"软印刷"技术制备了具有微图形的反蛋白石结构的光子晶体.利用聚苯乙烯微粒球制备了条状TiO2反蛋白石结构的光子晶体,用扫描电镜观察了其表面结构.用光纤直接将激光导入到条状样品中测量激光的衰减和激光波长的关系,发现激光衰减极大的位置与重力堆积的样品的透射谱极小处相符.实验表明使用软印刷技术为光子晶体在微光子学领域中的应用提供了一条新的可行途径.(OH1)     

光子晶体结构、制备技术和应用进展

介绍了光子晶体的结构、制备技术和应用方面的最新进展。继金刚石结构之后,又证实了圆木堆积、反蛋白石和矩形螺旋结构具有完全光子带隙。光子晶体的制备技术大体可分为微电子制备技术、自组装技术与层层叠加技术,三者各有优缺点。光子晶体在光子晶体光纤、光子晶体激光器、光子晶体波导等众多领域有着广阔的应用前景。     

利用P型(100)硅片制备二维光子晶体的工艺

采用电化学腐蚀法并结合光刻、反应离子刻蚀以及碱性腐蚀等技术,在p型(100)硅基底中制备了大深宽比的二维大孔硅光子晶体,其二维周期性结构的晶格常数为3.8μm,孔隙直径约3.0μm,孔隙深度超过80μm.在光刻、反应离子刻蚀及碱性腐蚀所刻印的V形尖坑阵列的基础上,采用优化的电化学腐蚀参数能制备出周期性好、深宽比大、表/侧面光滑的高品质光子晶体结构,并从理论上利用数值模拟的方法证明了该样品结构在归一化频率位于0.162～0.205ωa/(2πc)范围内存在光子带隙.     

二氧化硅介质柱构成的8重准晶结构光子晶体的传输特性

采用时域有限差分法讨论了由二氧化硅介质柱构成的8重准晶结构光子晶体的带隙特性。数值模拟结果表明,该结构的光子晶体对TM模存在较宽的光子带隙,而对TE模不存在光子带隙;光子带隙的中心频率随着填充因子的增大向低频方向移动;相对带隙宽度随着填充因子的增大呈现先增大后减小的趋势,并在填充因子r/a为0.29时存在最大值,该带隙可以覆盖1.55μm附近44nm的宽度或1.31μm附近37nm的宽度,足以用于设计和制作准晶结构的光子晶体光纤等光通信器件;光子带隙的位置和宽度均与入射光的方向无关,带隙的这种各向同性使基于该结构的新型器件的制作有更大的设计自由度。     

用于CO2激光传输的10.6μm波段空心布拉格光纤

空心布拉格光纤是具有一维光子晶体(1DPC)包层和空心芯区的新型光子带隙光纤。针对它在CO2激光传输中的应用,设计和制备了传输波段中心波长在10.6μm的空心布拉格光纤样品。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)可以观察到光纤样品在10.6μm具有明显的透射峰。使用CO2激光,通过截断法测量得到光纤样品在10.6μm的传输损耗为2.35dB/m。测量了不同弯曲曲率下光纤样品的弯曲损耗,结果表明弯曲损耗系数随曲率的增大而线性增长。在接近光纤输出端处,弯曲半径为10cm的光纤90°弯曲引入的附加损耗约为2dB。实验结果论证了光纤样品的CO2激光低损耗传输特性,展现了空心布拉格光纤在提升CO2激光操作灵活性上的应用潜力。     

利用p型（100）硅片制备二维光子晶体的工艺

采用电化学腐蚀法并结合光刻、反应离子刻蚀以及碱性腐蚀等技术，在p型（100）硅基底中制备了大深宽比的二维大孔硅光子晶体，其二维周期性结构的晶格常数为3.8μm，孔隙直径约3.0μm，孔隙深度超过80μm．在光刻、反应离子刻蚀及碱性腐蚀所刻印的V形尖坑阵列的基础上，采用优化的电化学腐蚀参数能制备出周期性好、深宽比大、表/侧面光滑的高品质光子晶体结构，并从理论上利用数值模拟的方法证明了该样品结构在归一化频率位于0.162～0.205ωa/（2πc）范围内存在光子带隙．     

倾斜底涂法制备聚苯乙烯胶体晶体及其光学特性研究

采用倾斜底涂法将单分散的聚苯乙烯胶体微球自组装生长成为胶体晶体,并用扫描电子显微镜和紫外-可见光分光光度计对其形貌和光学特性进行测量。结果表明,聚苯乙烯微球自组装为面心立方密堆积结构,胶体晶体的光子带隙位于可见光波段。分别对不同胶体颗粒的粒径、悬浮液的浓度、基片倾斜角度及环境温度等制备条件下生成的聚苯乙烯光子晶体样品逐一分类对比,分析了影响光子带隙宽度和深度的因素。     

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.     

一种基于光子晶体的中远红外双波段兼容伪装材料

光子晶体作为一种新型人工结构功能材料,基于其光子禁带的高反射特性可以实现热红外伪装。选择红外波段透明的薄膜材料A、B,设计出在中远红外波段具有高反射禁带的光子晶体,利用薄膜光学理论的特征矩阵法计算了反射光谱。通过构造异质结构光子晶体,实现了光子带隙的展宽,该结构光子晶体基本上实现了中远红外双波段的高反射,在2.94~5.06μm和7.66~11.98μm波段的光谱反射率接近为1;在2.91~5.12μm和7.62~12.29μm波段的光谱反射率大于95%,较好地满足了中远红外双波段兼容伪装的要求。倾斜入射时光子晶体的TM波和TE波的反射光谱是不同的,随着入射角度的增加,TM波的带隙逐渐变窄,而TE波的带隙逐渐变宽。     

10 Gbit/s transmission over air-guiding photonic bandgap fibre at 1550 nm

The first data transmission over air-guiding photonic bandgap (PBG) fibre is demonstrated. A 10 Gbit/s signal was successfully transmitted at 1550 nm over 150 m of singlemode PBG fibre, thus demonstrating their applicability to optical communications. Furthermore, the impact of the polarisation properties of PBG fibres is highlighted experimentally.     

基于不同晶粒尺寸的PVDZnSe红外光学材料制备工艺研究

ZnSe以其优异的光学性能与机械性能，一直是光学零件的首选材料之一。光学窗口、光学透镜等光学零件的制作成本很大程度上取决于光学材料的可加工性，加工成本占制作总成本的50%以上。从微观结构上来看，光学晶体材料的可加工性又与晶粒尺寸相关。文中采用物理气相沉积（PVD）法制备了PVDZnSe红外光学材料，并从沉积温度与原料性能两个方面研究了PVDZnSe制备工艺对其晶粒尺寸和可加工性的影响。研究表明:在920、960、1 000 ℃三个温度条件下，随着沉积温度升高，PVDZnSe材料晶粒呈现增加的趋势，其尺寸范围分别为20~180 μm、300~2000 μm和1 200~2 800 μm。在相同工艺参数条件下，选用粒径分别为2~10 μm、10~20 μm和300~2 000 μm的三种ZnSe原料制备PVDZnSe。随着原料ZnSe晶粒尺寸的增加，所得PVDZnSe的晶粒尺寸显著增大。结果表明，随着晶粒尺寸增加，脆性指数也相应增加，即PVDZnSe可加工性能在逐渐变差。研究还发现，在一定的晶粒尺寸范围内，材料的透过率差别不大，在2~14 μm波长范围内，PVDZnSe材料的平均透过率均能达到70%以上。该研究为PVDZnSe材料在光学零件领域的应用提供了实践经验和有力的技术支撑。     

一种新型芴类衍生物的双光子光致漂白三维光存储

基于光致漂白的双光子吸收三维光信息存储原理,以钛蓝宝石飞秒脉冲激光在一种新型光致漂白材料芴类衍生物BMOSF中进行光致漂白双光子信息写入和读出的实验研究,实现了6层光信息存储,信息点间距和信息层间距分别为8和10μm;采用MATLAB软件对6层信息点进行信号强度识别和信号点强度对比.实验表明,芴类衍生物BMOSF可以用...     

Ultrafast harmonic mode-locking of monolithic compound-cavity laserdiodes incorporating photonic-bandgap reflectors

We present the first demonstration of reproducible harmonic mode-locked operation from a novel design of monolithic semiconductor laser comprising a compound cavity formed by a I-D photonic-bandgap (PBG) mirror. Mode-locking (ML) is achieved at a harmonic of the fundamental round-trip frequency with pulse repetition rates from 131 GHz up to a record high frequency of 2.1 THz. The devices are fabricated from GaAs-AlGaAs material emitting at a wavelength of 860 nm and incorporate two gain sections with an etched PBG reflector between them, and a saturable absorber section. Autocorrelation studies are reported which allow the device behavior for different ML frequencies, compound cavity ratios, and type and number of intra-cavity reflectors to be analyzed. The highly reflective PBG microstructures are shown to be essential for subharmonic-free ML operation of the high-frequency devices. We have also demonstrated that the single PBG reflector can be replaced by two separate features with lower optical loss. These lasers may rind applications in terahertz imaging, medicine, ultrafast optical links, and atmospheric sensing     

Two-dimensional photonic crystals in macroporous silicon: frommid-infrared (10 μm) to telecommunication wavelengths (1.3-1.5 μm)

We present a detailed study of two-dimensional (2D) photonic crystals based on macroporous silicon technology, showing a broad range of wavelengths accessible for applications with this material. In this work, we have reached 1.55 μm, this certainly represents a decisive issue for this technology. First, the reflection performances of a hexagonal and a triangular lattice of air holes are compared. The triangular lattice reduces technological requirements because the complete photonic bandgap (PBG) results from the overlap of broader forbidden bands of lower order. Second, a combined experimental and theoretical study is presented of the reflection properties of a 2D photonic crystal in a three-dimensional (3D) optical environment. This reveals the critical parameters that can degrade the performances of such 2-D structures. Reflection coefficients up to 98% are obtained with optical quality interfaces. Finally, a complete PBG centered at 1.55 μm is demonstrated with a submicrometer period triangular lattice defined by holographic lithography. The influence of the air filling factor on the band position and the interface quality is analyzed by reflection measurements. The overall results show the high flexibility of the macroporous silicon technology and its applicability to integrated optics at telecommunication wavelengths     

应用光镊技术测量液相微区温度

提出了一种利用光镊技术测量液相体系内微区温度的方法,它借助光镊将微小粒子控制在液体中的确定位置处,观测粒子在其中的布朗运动,并由此确定该处的温度。用该方法测量了纯水和一组不同浓度的乙醇水溶液的微区温度,其结果与通常所用测温方法一致,证明了本方法的可行性。进一步分析了该方法的测量精度,得到空间分辨率为10μm×10μm×5μm,时间分辨率有望达到2 s。该方法解决了光镊技术在实际应用中经常需要对体系温度进行微区实时监测的困难。     

温度调谐LBO晶体光参量振荡器

本文详细研究０．５３２μｍ激光泵浦、温度调谐Ⅱ型非临界相位匹配ＬＢＯ光参量振荡器。当温度从２０℃升高到２００℃时，其信号波和闲置波的调谐范围分别为１．００２～０．８９８μｍ和１．１３４～１．３０６μｍ。本装置最吸引人之处是本征输出线宽比Ⅰ型情形小一个量级。     

新型长波红外非线性晶体PbIn6Te10的生长

新型长波红外非线性晶体PbIn6Te10具有透光波段宽(1.3~31μm)、非线性系数大(d11=51 pm/V),双折射适宜(~0.05)等优点,在14~25μm乃至25μm以上波段具有较大应用潜力。文中通过相图分析结合具体实验,筛选出较合适的组分配比,并采用高温单温区法合成多晶,布里奇曼法生长出尺寸φ11 mm×55 mm的单晶棒。对生长的PbIn6Te10晶体进行X射线衍射、摇摆曲线、透过率等测试,结果表明,晶体为三方结构,晶格常格为a=b=1.496 1 nm,c=1.825 7 nm,生长出的单晶结晶性较好,半高宽(FHWM)约0.253°,2.5~25μm波段晶体的平均透过率在50%以上,对应收系数处于0.3~0.6 cm-1之间。     

Analysis of Antennas with PBG Substrate

The use of photonic materials has been used in the theory of optical waves. The PBG (Photonic Band Gap) theory and material, was developed recently for optical frequencies and can be easily applied to millimeter waves, microwaves and planar antenna frequencies. The presence of photonic materials as substrate in antennas has some good characteristics such as, supression of light spontaneous emission and suppression of surface waves, allowing the application in planar antenna array. In this work an elaborate analysis using the full wave Transverse Transmission Line - TTL method, that provides efficient and concise results is applied to the planar antennas array with PBG substrate.