太赫兹波段渐变型二维光子晶体的透射谱研究

给出了一种仅由8层介质柱构成的晶格常数和填充率同时渐变的二维光子晶体的设计方法。并用传输矩阵法结合translight软件研究了太赫兹波在这种渐变型光子晶体中的透射特性。结果表明,该光子晶体比常规周期型和啁啾型光子晶体具有更好禁带宽度,而且可以通过改变渐变规律来实现禁带的中心频率向高频区或低频区的移动,并更易于光路的集成。     

层状复合介质柱二维光子晶体透射谱研究

针对用层状复合材料柱体构成二维光子晶体的这一设想,采用时域有限差分方法数值研究了多层复合介质材料在折射率、厚度、层数、组成次序等因素对组成二维光子晶体透射特性的影响。数值结果表明,透射谱中出现禁带宽度、中心频率所处位置都与单一介质组成二维光子晶体存在差别,特别是在多层环柱时变化更明显,因此在实际应用中,根据具体要求设计二维光子晶体比设计单一介质有更多的可调因素,为二维光子晶体的应用奠定了理论依据。     

层状复合介质柱体二维光子晶体透射谱研究

提出层状复合材料柱体构成二维光子晶体的设想，用时域有限差分方法数值研究多层复合介质材料在折射率、厚度、层数、组成次序等因素对组成二维光子晶体透射特性的影响。数值结果表明透射谱中出现禁带宽度、中心频率所处位置都比单一介质组成二维光子晶体有差别，特别是在多层环柱时变化更明显，因此在实际应用中可具体根据要求设计二维光子晶体比单一介质设计时有更多的可调因素，从而为二维光子晶体的应用提供更多的理论依据。     

太赫兹波段二维光子晶体传输器件的设计

应用平面波展开法研究了太赫兹波段二维光子晶体的传输特性,设计了一种新型的太赫兹波段传输器件,即由正方柱组成的正方晶格光子晶体.研究了它形成的最大TE模、TM模和完全带隙,并与由圆柱组成的正方晶格二维光子晶体的最大TE模、TM模和完全带隙进行比较,发现正方柱组成的正方晶格二维光子晶体形成的TE模较大.结果表明,正方柱组成的正方晶格二维光子晶体适合制作H极化片,可以制作太赫兹波段的传输器件.     

二维光子晶体带隙结构的透射特性

应用时域有限差分法(FDTD)研究了二维光子晶体的透射特性。计算了二维完善的周期性介质柱排列和带有缺陷的排列的带隙结构，得到了透射系数对入射光频率的依赖关系曲线。     

锥台型光子晶体在太赫兹波段的透射特性

设计一种工作于太赫兹波段的锥台型光子晶体,利用CST软件研究了光子晶体的禁带特性。通过在0.3~1 THz范围内进行模拟仿真得出,锥台型光子晶体存在光子禁带。与普通的圆柱形光子晶体进行了对比,并对不同的参数进行仿真发现:禁带范围会随着参数的改变而整体移动,其中取锥台顶部半径0.05~0.1 mm间隔0.01 mm,发现随着锥台顶部圆的半径的减小,禁带向高频方向移动。取晶格常数0.2~0.3 mm间隔0.05 mm发现随着晶格常数的增大会使禁带向低频方向移动。研究结果为太赫兹光子晶体波导研究提供理论依据。     

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。     

二维正方形复式晶胞光子晶体的光子特性研究

用FDTD方法计算了二维正方形复式晶胞光子晶体的光子特性．通过光子能带结构、光子态密度的分布以及沿ГX方向透射谱的计算,发现透射谱光子带隙的位置与能带结构符合得很好．光子态密度的分布也表明存在全带隙的光子频率范围,进一步研究给出这种结构光子晶体全带隙存在的物理起源．     

掺杂型塑料光子晶体太赫兹波导色散特性研究

文章设计了一种新型的塑料光子晶体太赫兹波导,该波导包层为聚乙烯(含周期性排列的三角格子型空气孔),芯层为有机材料聚四氟乙烯.采用时域有限差分(FDTD)法仿真得到色散特性曲线.研究结果表明,该掺杂型塑料光子晶体太赫兹波导是一种适合太赫兹波传输的光子带隙效应型波导.在太赫兹波段具有良好的传输特性.     

太赫兹波在二维光子晶体波导中的传输特性研究

首先用平面波展开法(PWM)计算了二维光子晶体的能带结构,然后提出了适合THz 波传输的光子晶体波导模型,并采用时域有限差分法(FDTD)研究了THz波在这种波导中的传输特性.在波导的输入输出口采样场值经过傅立叶变换以后进行比较,结果很合理.分析结果表明,位于光子晶体禁带内的THz波在这种波导中的传输是几乎没有损耗的,这为开发性能优良的THz 器件提供了理论依据.     

Models and measurements for the transmission of submicron-widthwaveguide bends defined in two-dimensional photonic crystals

One of the essential building-blocks of miniature photonic crystal (PC)-based photonic integrated circuits (PICs) is the sharp bend. Our group has focused on the 2-D photonic crystal based on a triangular lattice of holes perforating a standard heterostructure. The latter, GaAlAs-based or InP-based, is vertically a monomode waveguide. We consider essentially one or two 60° bends defined by one to five missing rows, spanning both cases of monomode and multimode channel waveguides. From intensive modeling and various experimental measurements (both on GaAs and InP), we point out the origin of the present level of bend insertion losses and discuss the merits of the many roads open for improved design     

二维光子晶体的负折射现象

研究了由多层周期圆柱阵构成的二维光子晶体对电磁波的散射,并通过算例从数值上证实了负折射现象的存在.采用的是有效而精确的T-矩阵方法.首先利用单个圆柱的T-矩阵和体现层阵列周期性的栅和得到每一层周期阵的空间谐波散射与透射矩阵,再将每一层的散射与透射矩阵级联起来而得到多层周期圆柱阵的广义散射与透射矩阵.给出了具体的算例,画出了该光子晶体上部空间和下部空间的场的幅值分布,还给出了晶体内部和外部坡印亭矢量的分布图.这些图清楚地显示了负折射现象的存在.     

Study of wavelength demultiplexer based on two-dimensional photonic crystals

A wavelength demultiplexer based on two dimensional photonic crystal waveguides is proposed. By using the finite difference time domain （FDTD） method and plane wave extension （PWE） method, the transmission spectra and the distributions of mode field are obtained, and the wavelength demultiplexer has been synthesized. The characteristics of the device are obtained.     

Modeling of pressure sensors based on two-dimensional photonic crystals

A pressure sensor based on the two-dimensional photonic crystal (2D PC) has been proposed. Under the condition of different pressure, the photonic band gap of the sensor has been studied by means of the plane wave expansion method (PWM). The results show that there is a good linear relation between the cutoff wavelength and the pressure. Apart from being easily implemented, the presented 2D PC pressure sensor holds many characteristics such as high-pressure sensitivity and convenience in achieving demanded pressure range.     

Improved 60/spl deg/ bend transmission of submicron-width waveguides defined in two-dimensional photonic crystals

We compare quantitatively the transmission properties of various 60/spl deg/ bends carved into a photonic crystal based on a two-dimensional triangular lattice of holes perforating a GaAs-based heterostructure. The bends are inserted into channel waveguides defined by three missing rows in the photonic crystal. Their design is inspired by some ideas from classical integrated optics. We show experimentally that in some cases the transmission of the bent waveguide is fairly high, up to 70%, within a bandwidth of 3%, e.g., 30 nm at 1 /spl mu/m, sufficient to contemplate wavelength-division-multiplexing applications. The observed performance opens the opportunity to implement a variety of optical functions in view of future photonic crystal integrated circuits for which low-loss bends constitute an essential building block.     

基于光子晶体缺陷模频移的超快光控太赫兹波调制器

本文设计了一种基于非线性光子晶体缺陷模频移实现太赫兹(terahertz, THz)波传输阻断的超快光控调制器,该调制器采用在硅基空气柱光子晶体中引入线缺陷和填充砷化镓材料的点缺陷结构,线缺陷形成波导区,传输频率位于光子带隙范围内的THz波,点缺陷作为谐振腔对THz波选频,与谐振频率(缺陷模频率)相同的THz波在谐振腔中发生谐振,耦合到波导中输出。无光激发时,位于线缺陷光子带隙内的1.65 THz缺陷模频率在谐振腔中发生谐振,从波导的另一端输出,调制器处于“通”状态。当中心波长为810 nm、光密度为0.4μJ/cm²的抽运光激发时,砷化镓的折射率由3.55变为3.55-i2.55,使缺陷模频移,在亚纳秒超快时间内实现对1.65 THz入射波的传输阻断。结果表明,该调制器的调制速率为2.3 GHz,消光比为20.3 dB,插入损耗为0.18 dB,具有调制速率高、消光比大、插入损耗小等优点,为其在高速THz波通信系统中的应用提供重要的理论依据。     

2维超晶格结构光子晶体传输特性研究

为了研究超晶格结构对光子晶体禁带的影响,应用时域有限差分法对圆/椭圆、圆/复合柱超晶格结构光子晶体的传输特性进行了计算,得到了相应的透射谱.结果表明,对圆/椭圆超晶格,禁带宽度随椭圆柱截面积的增大而变宽,中心频率变大;对于圆/复合柱超晶格结构,椭圆柱内接于圆孔时,禁带宽度随截面积的增大而变窄,中心频率变小;当长轴垂直入射波方向时,高频段出现较宽禁带,低频禁带完全消失;而椭圆孔中内嵌圆柱时,禁带宽度变化与前者相反.该研究为光子晶体器件的制作提供了理论依据.     

太赫兹波前调制超表面器件研究进展

超表面是一种由人工微结构组成的超薄平面器件,能够实现对电磁波振幅、相位以及偏振态的调控,具有体积小、重量轻、集成度高、可灵活操控电磁波等优势,在电磁波谱、波前调制中发挥着巨大的作用。综述了近年来基于超表面的太赫兹波前调制器件的研究进展。总结了基于Pancharatnam-Berry相位、基于局域表面等离子体共振(LSPR)、基于Mie共振的三种超表面单元结构对电磁波的振幅、相位调控机理,并讨论了实现高效率超表面的方法。之后,介绍了用于设计波前调制超表面器件的纯相位调制方法和复振幅调制方法。综述了在太赫兹波段典型的超表面波前调制器,包括单一功能、复合功能以及可调谐功能的超表面波前调制器件。在早期的研究工作中,设计的超表面可实现波束偏转、波束聚焦、全息成像、以及涡旋光束、自聚焦光束、洛伦兹光束等特殊光束产生等功能。为提高太赫兹器件的利用率,波分复用、偏振复用等功能复用的太赫兹超表面器件被提出。随着对太赫兹波前动态调控需求的增长, 一些主动的太赫兹超表面器件被提出并在实验上被验证。共有两种主动的超表面器件。其中一种主动超表面是通过将超表面结构与半导体材料或相变材料结合形成的,另一种是通过光泵浦硅片形成的全光器件。全光超表面在不用重新加工的前提下能够被重复使用。通过调整投影在硅片上的超表面图像即可动态操控太赫兹波前。全光超表面具有动态控制波束扫描和波束聚焦的能力,将来可应用于太赫兹通信、太赫兹雷达等领域。最后,对太赫兹波前调制超表面器件的发展趋势与应用前景进行了展望。     

Ge基二维三角晶格光子晶体的光子带隙

导出了二维三角晶格光子晶体的填充系数与正多边形散射子外接圆半径的普适关系,并利用平面波展开法计算了Ge基二维三角晶格光子晶体的光子带隙.计算表明:Ge圆柱置于空气背景中时,可产生TM、TE带隙,TM带隙占优势;随着Ge填充系数的增大,光子带隙的宽度先增大后减小,其中心频率由高频向低频移动;TM模第一带隙宽度在半径为0.14a处达峰值.空气圆柱置于Ge背景中时,可产生TM、TE及完全带隙,TE带隙占优势;随着空气填充系数的增大,光子带隙的宽度先增大后减小,其中心频率由低频向高频移动;TE模第一带隙宽度和最大完全带隙宽度分别在半径为0.46a和0.49a处达峰值.