窄线宽光子晶体红外光滤波器研究

利用传输矩阵法研究了光通信中850nm、1330nm和1550nm三个波长的光子晶体滤波器。研究了如何通过选择各层的折射率及宽度使滤波器工作在给定的波长上并具有极窄线宽的方法。经过数值计算分别得出了工作于这三个波长上的光子晶体滤波器的参数。计算结果表明,当缺陷模厚度保持不变时,中心波长会随折射率的增大向长波移动。通过选择适当的参数,可制作出工作于850nm、1330nm和1550nm波长上的线宽为0．0001nm的极窄线宽光子晶体滤波器。     

厚度误差对特定波段光子晶体温度传感器的影响

以工作在特定波段的光子晶体温度传感器作为研究对象,通过具体的数值模拟发现:温度变化时,基于光子晶体的热膨胀效应和热光效应,透射峰峰值保持不变,同时透射峰和光子带隙发生漂移。测量透射峰中心波长或光子带隙的起始波长即可得到光子晶体对温度变化的灵敏度。分析了介质层的厚度误差对光子晶体温感特性的影响。引入误差后,透射峰与光子晶体温度传感器的灵敏度保持不变,但透射峰的中心波长与光子带隙所在波段发生改变,从而影响了光子晶体温度传感器的工作波段。     

多通道可调谐1.55μm光子晶体滤波器

建立了（AB）N型一维光子晶体结构多通道可调谐滤波器模型,其中A层是砷化镓（GaAs）材料,B层是由掺铝的氧化锌层和氧化锌层（AZO/ZnO）交替排列构成的具有人工周期结构的各项异性材料。根据电磁波的传输矩阵理论,推导了光子晶体的透射率公式。数值模拟表明:此结构光子晶体透射中心波长是1.55 m,对应于光子通带;透射峰的数量由光子晶体的周期N决定;B层中填充因子h从2/3增加到11/12,峰值波长蓝移且移动范围超过200 nm;A和B层厚度增加,透射峰中心波长发生红移;而入射角度的增加将使透射峰中心波长蓝移;在各参数的调控范围内,光子晶体均保持较高的透射率不变。这些现象为光通信波段多通道可调谐高性能滤波器的设计提供了理论参考。     

对称型正负交替-维光子晶体超窄带滤波器

构造了（AB）N1（BA）心对称型正负折射率交替一维光子晶体,并利用传输矩阵法进行数值模拟,研究了这种正负折射率交替-维光子晶体的能带结构与各参数之间的关系。结果表明：当两种材料的光学厚度相同时,该结构光子晶体比传统的光子晶体的带隙大得多,且在主禁带内有极窄的透射带。并利用此透射带,设计了一种在红外波段1550nm窗口3dB带宽可以做到0．000001nm以下,窗口内透过率接近100％的超窄带滤波器。该结构的光子晶体可以用作超窄带滤波器,有望在光通信超密集波分复用系统中获得广泛应用。     

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.     

两端对称缺陷对对称结构光子晶体透射谱的影响

通过传输矩阵法理论,研究两端对称缺陷C对一维光子晶体ACmB(AB)n(BA)nBCmA透射谱的影响,发现:当无缺陷C时,透射谱符合镜像对称结构光子晶体的透射谱特征。当引入缺陷C后,随着缺陷折射率nC的增大,禁带中的透射峰逐渐变宽的同时向高频方向移动。缺陷周期数m及其光学厚度DC对透射谱的影响,在数值上具有明显的奇偶特性,m为奇数或DC为奇数倍时,禁带中心均出现一个较宽的通带,且通带宽度随着m或DC的增大逐渐变窄,而且通带上方的振荡加快,但通带中心所处频率位置不变;m为偶数或DC为偶数倍时,禁带中心均出现一条细窄缺陷模,且缺陷模的宽度随着m或DC的增大缓慢变窄,但其位置不变;两端对称缺陷对对称结构光子晶体透射谱的调制规律,为光子晶体设计窄带、宽带光学滤波器或光开关等提供指导。     

三层单负材料为周期单元对称型一维光子晶体的频率特性

应用传输矩阵法研究了以三层单负材料为周期单元对称型一维光子晶体(ABC)M(CBA)M。结果表明,其带隙结构对入射角的敏感程度与光波的偏振性有关,TE波的高频通带会随着入射角的增大向中心频率移动,而TM波的带隙结构对入射角的变化不敏感。研究还发现各介质层厚度的变化对能带结构的影响规律不相同。当保持各介质层厚度比不变,成倍增大各介质层厚度,高、低频通带变窄并向中心频率移动,低频区通带首先消失。当改变各介质层厚度比时,若保持A、C层厚度不变,减小B层厚度,高、低频通带分别向两侧移动同时收缩变窄;若保持B层厚度不变,增大A、C层厚度,高、低频区通带同样变窄,低频区通带首先消失,带隙同样变宽。最后研究了该光子晶体的零有效相位带隙结构,发现其通带随晶格常数的增大逐渐向中心频率移动同时收缩变窄,这一特性可以用来设计单通道窄带零有效相位延迟滤波器。     

二维光子晶体窄带滤波器研究

由于光子晶体存在带隙,只要在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,那么原来处于禁带处特定波长的光也能沿着形成的波导传播,从而该光子晶体就具备了滤波的功能,再在线型波导的一侧设计个点缺陷,利用时域有限差分法分析发现,在缺陷处耦合出来的光不仅仅光强增大了,而且半高宽也变小了,这就与窄带滤波器的功能十分吻合。此外,只要根据光子晶体的晶格常数和椭圆介质柱的半径与窄带滤波器的中心波长关系,通过调整光子晶体的晶格常数和介质柱的半径,就可以改变窄带滤波器的中心波长。     

用于DWDM的一类光子晶体滤波器

用转移矩阵法模拟计算了通过2组不同禁带的光子晶体级联构成的窄带滤波器的光学特性，设计了信道间隔为0．80nm和0．08nm的密集波分复用（DWDM）光子晶体滤波器。模拟结果表明，这种滤波器的透射特性几乎不受滤波器两边折射率的影响，既可生长在光纤的一端，也可植入光纤内部，还可直接在空气环境中使用，使滤波系统简单、轻便。     

一种具有放大功能的多通道窄带滤波器设计

设计了传统介质(折射率为n1>0)与激活介质(折射率n2=n0-ki)交替排列组成的一维光子晶体(PC).利用传输矩阵法研究了这种光子晶体的透射光谱.模拟结果显示,n1=1.45,n2=3.8-0.10i时会出现两条半峰全宽约0.6 nm获得增益的透射窄带,并且两条窄带的中心波长只与介质的厚度有关.用M×N个厚度不同的此类光子晶体为单元设计了一种具有放大功能的M×N阵列滤波器.研究了介质厚度和折射率的变化对滤波器通道透射窄带的影响.结果表明,此滤波器在可见光区域和红外光区域分别有M×N个通道,并且通道间隔和窄带透射率的大小都可以通过改变介质参数任意调节,这为设计各种需要的滤波器提供了帮助.     

周期层数及入射角对一维光子晶体带隙的影响

一维光子晶体基本周期的介质折射率取n2=1.5和n3=2.5,采用传输矩阵法,通过For-tran编程进行数值计算,分别得到了不同周期层数(N)及不同入射角度(θ1)下的一维光子晶体透射谱;从光子带隙频宽、带隙中心位置及带隙中心的透射率值等方面,分析并讨论了周期层数及入射角对一维光子晶体带隙特性的影响。结果表明,随着N值的增加,带隙中心的透射率值迅速减小,当N增至16层时,一维光子晶体基本形成;此外,在0°～85°内,随着入射角度的增加,带隙低频值向左移动,高频值向右移动,带隙宽度呈增加的趋势,入射角不影响光子带隙的中心位置。     

准周期结构一维光子晶体的带隙特性与滤波特性

研究了准周期结构一维光子晶体的带隙特性和滤波特性,对ZnS与MgF2和GaAs与AlAs两种电介质组合的光子晶体在层厚不变、折射率递变和折射率不变、层厚递变以及层厚不变、折射率比递变三种情况下的透射谱作了模拟计算,得到了带隙特性的变化规律,并指出了其在滤波中的应用.与周期结构光子晶体相比,准周期结构光子晶体的透射谱发生移动,带隙宽度改变.     

基于内全反射微环空气孔型光子晶体光分插滤波器

提出一种基于内全反射微环和光子晶体带隙相结合的混合结构空气孔型二维三角晶格光子晶体光分插滤波器,通过压缩及移位围绕线缺陷波导的上下两排光子晶体阵列,实现空气孔型线缺陷波导单模的有效调控,进而影响信道的下路效率,并且利用二维时域有限差分法系统分析不同波导宽度以及不同移位量δ时滤波器的下路效率。模拟计算表明,当波导宽度为0.8槡3晶格常数,耦合强度为0个晶格常数,移位量为0.5个晶格常数,信道波长为1464nm时,下路效率为-0.11dB,品质因子Q为1100;当波导宽度为0.8槡3晶格常数,耦合强度为1个晶格常数,移位量为0个晶格常数时,下路效率为-0.89dB,品质因子Q为2100。     

Inverse‐Woodpile Photonic Band Gap Crystals with a Cubic Diamond‐like Structure Made from Single‐Crystalline Silicon

Three dimensional photonic band gap crystals with a cubic diamond‐like symmetry are fabricated. These so‐called inverse‐woodpile nanostructures consist of two perpendicular sets of pores in single‐crystal silicon wafers and are made by means of complementary metal oxide–semiconductor (CMOS)‐compatible methods. Both sets of pores have high aspect ratios and are made by deep reactive‐ion etching. The mask for the first set of pores is defined in chromium by means of deep UV scan‐and‐step technology. The mask for the second set of pores is patterned using an ion beam and carefully placed at an angle of 90° with an alignment precision of better than 30 nm. Crystals are made with pore radii between 135–186 nm with lattice parameters a = 686 and c = 488 nm such that a/c = √2; hence the structure is cubic. The crystals are characterized using scanning electron microscopy and X‐ray diffraction. By milling away slices of crystal, the pores are analyzed in detail in both directions regarding depth, radius, tapering, shape, and alignment. Using optical reflectivity it is demonstrated that the crystals have broad reflectivity peaks in the near‐infrared frequency range, which includes the telecommunication range. The strong reflectivity confirms the high quality of the photonic crystals. Furthermore the width of the reflectivity peaks agrees well with gaps in calculated photonic band structures.     

基于光子晶体光纤的高斯脉冲光谱压缩数值研究

为了获得高质量的窄线宽光脉冲,采用单模光纤和光子晶体光纤相结合的光谱压缩技术,通过分步傅里叶变换方法求解非线性薛定谔方程,数值模拟了1550nm波段高斯脉冲光谱压缩过程。结果表明,当初始脉冲的脉宽、峰值功率及所采用光子晶体光纤的参量一定时,光谱压缩存在一最佳光子晶体光纤长度;且初始光脉冲的峰值功率越大,所采用光子晶体光纤的非线性系数越大,所需光子晶体光纤最佳长度越短,所得谱压缩比越大;利用最佳长度为4.152m的光子晶体光纤对峰值功率为110W、初始脉宽为0.65ps的高斯脉冲进行光谱压缩时,可得谱压缩比为3.47的最佳谱压缩光脉冲;脉冲形状对光谱压缩产生一定的影响,高斯脉冲较超高斯脉冲光谱压缩效果更好。该研究结果对研制窄线宽、超短脉冲光纤激光器具有指导意义。     

1维光子晶体的能带结构分析

为了分析研究1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响,并把这种影响作用应用到滤波器的设计中,采用传输矩阵法、利用MATLAB仿真软件,对不同结构参量的1维光子晶体的能带结构进行了计算仿真,分别得到了不同周期数、不同介质层厚度、不同介质折射率的1维光子晶体的能带分布图,进一步分析比较,得出了1维光子晶体的结构参量对其能带结构的影响。结果表明,较大的周期数可以使1维光子晶体的禁带边缘更加陡峭,通带透射性增强,能带分布更加分明;介质层厚度可以调节光子晶体的能带分布情况及能带宽度;介质折射率比值可以改变禁带宽度,禁带宽度随介质折射率比值的增大而增大。这些结果对宽带带阻滤波器的设计是有帮助的。     

ZnO光子晶体的制备及其光子带隙特性研究

利用重力场下的自组装,将单分散的ZnO胶体颗粒悬浮液自组装为三维光子晶体.通过扫描电镜图谱、透射光谱对制得的ZnO光子晶体进行了表征.结果表明,这种方法可得到排列有序的光子晶体,并且改变反应条件可以控制ZnO胶体球的尺寸.制得的样品有较宽的光子禁带,且禁带波长位置随胶体球粒径的减小和前处理温度的降低而蓝移.当入射光角度逐渐增大时,禁带中心位置有规律地向短波长方向移动.     

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。     

一维全息光子晶体基本周期对光子禁带的影响

利用由传输矩阵法得到的一维光子晶体的反射率计算公式,针对具体的一维全息光子晶体周期结构,计算了折射率调制周期的改变以及光学厚度的改变对光子禁带结构的影响．结果表明：随着折射率调制周期参数的增大,禁带宽度减小,禁带中心的位置移向短波;随着光学厚度的增大,禁带宽度增大,禁带中心的位置移向长波．在设计光子晶体时,可以根据需要,通过改变光子晶体基本周期结构的参数来实现对光子带隙的控制．