缺陷为增益介质的光子晶体光放大特性的研究

为了研究含缺陷层为增益介质的三元1维光子晶体的光学特性,采用光学传输矩阵的方法进行了理论分析。结果表明,增益缺陷层厚度及光学常数的变化对于红外区的禁带结构影响不大,增益介质层主要对中心波长为1.8μm所处的透射带带边波长的放大效应特别明显。还研究了增益介质缺陷层的厚度、光学常数的变化对于红外区透射带边(2.1869μm)波长的光放大效应;当增益介质厚度为0.0101μm,n=5.03+0.124i时,可以获得在波长2.1869μm处透射系数为428的光放大。在红外区,光放大波长随着中心波长的变化而变化,但该波长都是在中心波长所处透射带的带边处。该结果可为以光子晶体作为激光增益介质的研究提供理论指导。     

一维光子晶体的应变测量

采用ZnSe和Na3AlF6两种经典介质材料构造一维光子晶体,缺陷层介质为Na3AlF6。利用传输矩阵法对带有缺陷的一维光子晶体的传光特性进行了理论分析,并得到其带隙特性。分别数值研究了参考光子晶体以及应变前后测量光子晶体的透射谱,分析结果表明光子晶体所受的纵向应变与其缺陷峰波长之间呈线性关系,根据这种对应关系提出了一种新的测量应变的方法。由于粘贴光子晶体的基底与光子晶体的线膨胀系数不同,且温度变化也会引起构成光子晶体材料折射率的变化,导致光子晶体透射谱缺陷峰波长的漂移。为了消除温度误差,在测量光路中设置了与测量光子晶体结构相同的参考光子晶体,对温度的影响进行了补偿。实验表明,测量系统的灵敏度为6×10-4nm/με,测量范围为0～2000με。     

含增益缺陷层的1维三元光子晶体特性研究

为了设计出具有特殊光学特性的晶体,在不考虑色散的基础上,采用传输矩阵法对缺陷层为增益介质的1维三元光子晶体的光学特性进行了理论分析和数值模拟,主要研究了在0.242μm处能获得最大光放大时所对应的增益介质的厚度及光学常数,并讨论了当中心波长变化时的光放大特点。结果表明,当中心波长为0.3μm时,中心波长两侧存在着对应的禁带,改变缺陷层厚度及光学常数对该带隙结构的影响很小;但通带边0.242μm波长处获得很强的光放大。这一结果为今后获得具有所需特征缺陷的光子晶体提供了理论指导。     

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。     

近红外光谱区光子晶体禁带与KTP缺陷研究

光子晶体引入缺陷后形成的缺陷模在增益介质中将被放大形成激光,为了进一步明确缺陷的激光特性,首先从理论上分析了光子晶体的特征矩阵,接着得出了以下光子禁带特性:光带隙宽度随着周期数的增加而增大,但在周期数达到一定数值后其光带隙宽度是确定不变的;折射率比值越大,光带隙宽度越大;叠加不同中心波长的光子晶体可以简单、有效地拓展光带隙范围。在一维KTP光子晶体的禁带特性实验分析中得到了KTP缺陷的光子能带结构的波长响应曲线;随着温度的上升,KTP的折射率随之增大,进而缺陷模向长波长方向移动。上述研究对于微小光源的发展具有一定的理论和实际意义。     

二次元多周期1维光子晶体带隙的实质

为了讨论1维光子晶体带隙的本质,利用传输特征矩阵法分析了二次元多周期1维光子晶体的反射率,并推导出等效折射率实部的表达式.以氟化镁(MgF2)和硫化锌(ZnS)构成的二次元多周期的1维光子晶体为例,进行了数值计算,绘制了反射率及等效折射率实部的曲线,并进行了分析.结果表明,反射率为1.0的波长区间与等效折射率实部为零的...     

材料色散对1维光子晶体缺陷模影响的研究

为了分析材料色散对缺陷模的影响,对色散材料采用洛伦兹振子模型,利用传输矩阵法计算了含缺陷1维光子晶体的透射谱,分析了各层的色散对该结构1维光子晶体缺陷模的影响。结果表明,无论是高、低折射率介质还是缺陷层的色散都可以引起缺陷模的频移或分裂;缺陷模的频移方向与考虑色散后光学厚度的变化有关,如果光学厚度增大,则发生红移,反之则发生蓝移;低折射率介质的色散使缺陷模频移的效果最显著。这一结果对光子晶体的设计和研究有一定的参考价值。     

Spontaneous emission extraction and Purcell enhancement fromthin-film 2-D photonic crystals

Electromagnetic band structure can produce either an enhancement or a suppression of spontaneous emission from two-dimensional (2-D) photonic crystal thin films. We believe that such effects might be important for light emitting diodes. Our experiments were based on thin-film InGaAs-InP 2-D photonic crystals at ambient temperature, but the concepts would apply equally to InGaN thin films, for example. We show that the magnitude of Purcell enhancement factor, F_p~2, for spatially extended band modes, is similar to that for a tiny mode in a three dimensional (3-D) nanocavity. Nonetheless, light extraction enhancement that arises from Zone folding or Bragg scattering of the photonic bands is probably the more important effect, and an external quantum efficiency >50% is possible. Angle resolved photoluminescence from inside the photonic crystal gives a direct spectral readout of the internal 2-D photonic band dispersion. The tradeoffs for employing various photonic crystal structures in high efficiency light-emitting diodes are analyzed     

基于石墨烯和1维光子晶体的THz宽带吸收器

为了获得宽带高效率光波吸收器,设计了石墨烯和1维光子晶体的复合结构,采用修正的传输矩阵法研究了其传输特性。结果表明,在一定条件下,复合结构在太赫兹波段具有一定带宽和高效率的吸收带,吸收带的位置和宽度与1维光子晶体通带一致;在一些特别的吸收带,吸收峰值达到1;对相同的结构吸收结果还与入射方向有关。石墨烯和1维光子晶体的结合进一步拓展了它们的应用范围。     

缺陷对光子晶体透射能带谱的简并效应研究

为了设计高品质、高性能的光学滤波器和光开关,利用传输矩阵法通过数值计算模拟的方式绘制1维光子晶体的透射能带谱,研究和分析了两缺陷之间距离和缺陷的厚度对光子晶体透射能带谱的简并效应。结果表明,当两缺陷之间距离越大,透射能带谱简并效应越明显,当间距增大到一定数值时,出现分立透射峰完全简并现象;当缺陷厚度整数倍增大时,光子晶体透射能带谱出现简并的趋势,但缺陷厚度奇数倍增大与偶数倍增大时,透射能带谱简并速度不一样,前者的简并速度小于后者的简并速度;缺陷厚度无论是奇数倍增大还是偶数倍增大,光子晶体透射能带谱简并的速度均逐渐减小。缺陷对光子晶体透射能带谱简并效应的调制规律,为光子晶体设计新型光学滤波器件、光学开关及其调制机制等提供了指导。     

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.     

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。     

正负折射率含缺陷1维光子晶体多通道滤波器

为了分析结构参量对正负折射率材料1维光子晶体缺陷模的影响,利用传输矩阵法计算了基于正负折射率材料含正折射率缺陷1维光子晶体B（AB）m（ACB）n（AB）mB的透射谱,分析了各参量对该结构1维光子晶体缺陷模的影响,并用波动理论定性分析了多通道滤波器形成的原因。结果表明,在各介质层的光学厚度绝对值都为0/4的情况下,每个禁带中都有n个超窄的透射峰,相邻两个透射峰间距比相同结构下正折射率情况的宽;当n=1时,随着C层介质光学厚度以0/4的k倍增加,透射谱中同一禁带内出现了k条透射峰;当n2时,透射谱中同一禁带内出现了nk条透射峰。该研究结果对可调多通道滤波器的设计和研究有一定的参考价值。     

3维函数光子晶体的特性研究

为了研究3维函数光子晶体的光子禁带特性,采用平面波展开法计算得到色散曲线,推导了平面波展开法的相关计算公式以及介质球介电常数的函数关系式,探讨了可调参量函数系数I和介质球半径R₁对光子禁带特性的影响。结果表明,3维函数光子晶体呈立方体晶格分布,由介质球填充空气背景;与常规3维介质光子晶体相比,3维函数光子晶体不仅能得到可调谐的光子禁带,而且可以拓展禁带带宽,并增加光子禁带的数量;改变函数系数I的大小可以实现对光子禁带数量、位置和带宽的调谐;改变介质球半径R₁可以对光子禁带带宽实现展宽,并改变光子禁带的位置。该研究对设计新型可调谐器件是有帮助的。     

一种缓变结构一维光子晶体的缺陷模研究

利用传输矩阵方法,研究了单折射率层缓变准周期结构一维光子晶体存在不同缺陷时的缺陷模。结果表明,当该准周期结构中存在缺陷时,引入了缺陷模,且缺陷模与缺陷层的位置和结构参数相关。缺陷层不同,缺陷模的位置及共振透射峰也不同。随着缺陷层光学厚度的增大,缺陷模波长向长波方向移动。     

峰值折射率对正弦型函数光子晶体缺陷模的影响

为了分析峰值折射率对1维正弦型函数光子晶体缺陷模的影响,首先对折射率按正弦规律变化的介质进行离散化,然后应用传输矩阵法计算了1维光子晶体(AB)mC(BA)m的透射谱,分析了各介质层的折射率峰值对该结构1维正弦型函数光子晶体缺陷模的影响。结果表明,随着峰值折射率的增大,缺陷模红移,且频率越高缺陷模红移现象越明显;低折射率介质的峰值折射率对缺陷模频移的影响比较显著。这一结果对光子晶体的设计有一定的参考价值。     

周期性石墨烯盘表面拓扑边界传输态研究

为了提高光学器件的传输性能,推动微型光学器件及大规模集成光路的发展,提出了一种新型2-D石墨烯等离子体光子晶体结构.通过周期性排列蜂窝状的石墨烯盘,调整一个周期内两个石墨烯圆盘的直径,打开狄拉克点;基于有限元法,运用COMSOL仿真光场传播、计算光子带隙,打破时间反演对称性,实现能带拓扑效应.结果表明,该设计的晶格常数...     

1维光子晶体中两种偏振光的场分布

为了研究1维光子晶体中光强的分布,采用特征矩阵法推导出TM波在1维光子晶体中光强的分布公式,进行了TM波和TE波在1维光子晶体中光强分布的理论分析。结果表明,在禁带范围内,随着TM波和TE波在1维光子晶体中传播深度的增加,其光强迅速衰减;在导带范围内,随着TM波和TE波在1维光子晶体中传播深度的增加,其光强不会衰减。这一结果对1维光子晶体中TM波和TE波的禁带和导带的形成的认识是有帮助的。     

Analysis on characteristics of 1-D apodized and chirped photonic crystals containing negative refractive materials

Using transfer matrix method, the optical transmission properties of 1-D photonic crystals composed partially of negative refraction media are analyzed. The transmission spectra of periodic photonic crystal, chirped photonic crystal and apodized photonic crystal are numerically simulated respectively. By contrast with optical transmission properties of ordinary photo- nic crystals made of positive refraction media, the transmission spectra of apodized photonic crystal become unregular, the Bragg flat-headed area recurs but the peak of transmission does not change significantly. Futhermore, the band gap range of chirped photonic crystal diminishes gradually.     

基于光子晶体平板传导共振模的低功率光开关

利用严格耦合波算法计算了二维光子晶体平板结构随角度变化透过谱和波长变化透过谱,研究了透过谱上传导共振峰与二维光子晶体平板能带结构的关系。利用共振传导模的低透过和高Q值的特点,设计了基于磷化铟材料的工作在1550nm波长附近的角度分辨和波长分辨的光子晶体光开关。理论模拟结果表明,该结构透过谱上传导共振峰品质因子可达105,非线性折射率变化为10-4即可实现开关对比度接近100%。当信号光或泵浦光分别与光子晶体平板传导共振模耦合时,由于共振耦合使得泵浦光场增强,需要泵浦能量仅为184fJ,为目前所知能量最低的光开关。