A Study of Infrared Photonic Crystal Devices Using New ADI-FDTD Algorithm

To investigate the infrared photonic crystal devices numerically, the traditional finite-difference time-domain (FDTD) method has been modified by combining with a new alternating direction implicit (ADI) algorithm. An improvement of two-five in speed over previous FDTD methods can be obtained by calculating the envelope rather than the fast-varying field, and the numerical errors are minimized. Consider the isolated localized coupled-cavity modes, the phenomenon of eigenmode splitting has been observed when the coupled-cavity structures in two dimension triangular dielectric photonic crystals are simulated. The results are in good agreement with experiments.     

〔A（BC）〕^m结构光子晶体光纤传输特性

通过引入缺陷和色散介质方法,调控光子的运动状态,研究一种〔A（BC）〕m结构负折射率光子晶体的TE波和TM波的传输特性和色散特性,得到两种模的色散特性随入射角变化而变化规律,并且其带隙比普通光子晶体的大,而透射带要窄。通过运用传统计算电磁场与电磁波传播的FDTD方法及PML边界条件来仿真〔A（BC）〕m结构光子晶体光纤...     

基于石墨烯一维太赫兹光子晶体电磁特性研究

采用时域有限差分(Finite Difference Time Domain FDTD)和表面边界条件对单层石墨烯的太赫兹电磁特性进行研究.首先计算了其反射和透射系数, 并与解析解对比验证了该理论的正确性.接着研究了一维光子晶体表面石墨烯在太赫兹光谱范围的吸收.通过改变模型中石墨烯的位置, 得到了一维石墨烯吸收特性与石墨烯位置的关系.结果表明:当石墨烯位于光子晶体表面时, 由于石墨烯和间隔层在光子晶体表面构成了表面缺陷, 从而导致光的局域化, 这种局域化增强了石墨烯对太赫兹范围光的吸收.     

激励源对二维光子晶体传输特性的影响

用时域有限差分法（FDTD）分析了二维光子晶体的传输特性,研究了纯平面波源、高斯波源对传输特性的影响,指出在同一种激励源情况,二维光子晶体的传输特性与其入射角有关。     

2维组合宽带隙光子晶体的研究

为了研究由两种不同的介质柱组合成的2维光子晶体的传输特性,对包层介质柱/基质光子晶体与空气柱/基质光子晶体组合的三角晶格光子晶体进行研究,采用时域有限差分法,对其进行模拟计算,得到多种情况下光子晶体的透射系数与入射光频率的关系曲线.结果表明,在这种组合结构的光子晶体中,可以得到从低频到高频的组合宽带隙,从而达到在更宽范围内控制电磁波传播的目的;包层介质柱外半径的变化对带隙的宽度影响较大;包层介质柱的内半径的大小、内柱和中间夹层的介电常数对带隙宽度没有影响,但是对带隙内的缺陷模有明显的影响.由此可以根据实际需要,通过调节此种光子晶体的结构参量制作极窄带通的滤波器和光开关等.     

基于FDTD法模拟一维TiO_2光子晶体缺陷态的研究

介绍了时域有限差分法（FDTD）的基本原理,设计了一个由TiO2和SiO2组成的（AB）MA结构一维光子晶体模型（A为TiO2,B为SiO2,M=8）,并对光子晶体中传播的电磁场作了模拟和分析.结果表明：不通过掺杂的方法,只是改变光子晶体的结构参数也可在光子带隙中引入缺陷态,且缺陷态的中心波长和宽度随结构参数的改变而变化.     

二维光子晶体波导及耦合器的特性模拟

用平面波展开法计算二维光子晶体的能带结构,作为进一步研究光子晶体器件的基础。接着采用时域有限差分法(FDTD)模拟光波在光子晶体直角转折传播的场图以及光波在两条平行光子晶体波导间传播时的耦合场图。模拟结果显示,光波在直角转弯光子晶体中波导中传播时的损耗非常低;在平行光子晶体波导耦合器中的耦合损耗仅也很低。它们的优异性能在光子晶体集成电路中有极大的应用价值。     

光子晶体陷光型碲镉汞探测器性能提升研究

光子晶体陷光结构具有类似减反膜的功能,且可以有效降低探测器暗电流,因而在红外探测器领域得到了广泛研究。本文针对光子晶体陷光结构的碲镉汞中波红外探测器,对其性能提升研究进行了论述。利用基于FDTD算法的仿真模型,并通过对结构参数进行优化,使得量子效率提升了近20%。     

并行化小波基FDTD方法的电磁场计算效率分析

为研究在大尺寸的光子器件中电磁场的传播特性,建立了一种基于小波基的时城有限差分(FDTD)数值计算方法,并在计算机集群系统中实现其并行化运算.该方法相较于标准的FDTD方法,具有更好的数值色散特性,大大减少了计算空间网格数,从而减少了内存的使用;且并行化计算大大减少了运算时间.验证了该方法的有效性,分析了影响并行运算效率的主要因素,并建立了一个估算模拟运算时间的数学模型.     

含随机介质的光子晶体波导特性

提出了一种光子晶体波导与随机介质相结合的特殊型波导的设计方法。基于光子晶体波导模型,建立了ZnO随机介质作为线缺陷的光子晶体波导模型,采用时域有限差分(FDTD)法分析了ZnO随机介质的加入对光子晶体波导系统的频率特性、时域特性及增益特性的影响,并且与纯随机介质系统和含有线缺陷的光子晶体波导系统进行对比。分析结果表明,当在光子晶体波导的缺陷层引入ZnO随机介质时,随机介质使得光在缺陷处振荡并得到放大,局域化程度比纯随机介质系统和纯光子晶体波导系统更高;且光与随机介质的相互作用使得光在波导中时间延长,激光阈值降低。这种光子晶体波导可用于制备可嵌入到集成光路领域和低阈值的微型激光器。     

光子晶体光纤的矢量有效折射率分析方法

由于具有复杂的折射率分布，光子晶体光纤一般需要采用数值方法进行研究。有效折射率方法最早用来研究光子晶体光纤的模式特征及其色散特性，但是一般采用标量近似的方法。建立了研究光子晶体光纤的矢量有效折射率方法，并用于计算光子晶体光纤的色散常数。类比于阶跃型折射率光纤，只需将电磁场所满足的相应的贝塞尔函数代入阶跃型折射率光纤所满足的矢量特征方程即可求解光子晶体光纤包层的有效折射率。采用矢量有效折射率方法的计算结果与基于有限元方法求解的数值结果和测量结果吻合得更好。     

一维ZnO光子晶体带隙的FDTD法模拟研究

介绍了时域有限差分法(FDTD)的基本原理,设计了一个由ZnO和MgF2组成的一维光子晶体模型,并对光子晶体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,详细讨论了不同周期数、不同厚度和不同厚度比对光子晶体带隙的影响,最后通过在周期薄膜层状结构中引入缺陷层构造了光子缺陷态。     

二维光子晶体带隙结构透过率的研究

计算了二维光子晶体TM模透射率频率分布,并用FDTD+PML边界方法对光子晶体传输特性进行分析,直观地给出了光在光子晶体中的光场分布,分析了不同网格精细度和晶体层数对于透过率的影响。     

Novel FDTD simulation method using multiple-analysis-space for electromagnetic far field

Wide-band undesired electromagnetic noise near electronic systems, which includes small noise source like the printed circuit board (PCB), is a current problem in the field of electromagnetic interference. However, the estimation method for the electromagnetic noise near a system under test has not been established. This paper proposes a newly developed estimation method of the electromagnetic noise for a wide area, from near to far field, using the finite difference time-domain (FDTD) method. The proposed FDTD simulation method is an estimation technique for near to far field with multiple analysis spaces (MAS). The MAS has an internal analysis space (IAS) and an external analysis space (EAS). The analysis near a radiation source can be calculated in the IAS. The EAS is the outside space from IAS, which is for calculation of the far field. It is expected that the proposed FDTD method by MAS (FDTD-MAS) decrease in the calculation cost in terms of computational time and memory costs, especially for estimation of radiation from PCB. The principle procedure of the FDTD-MAS method is described in the first part of this paper. As example of advantages of the calculation and confirmation of the calculation accuracy, the electric field distributions radiated from a 1-GHz half-wavelength dipole antenna in an IAS of 0.3/spl times/0.3 m/sup 2/ area and an EAS of 7/spl times/7 m/sup 2/ area are used as examples. When the cell size ratio of IAS to EAS is changed from 6 to 20, the FDTD and theoretical values show good agreement. It is indicated that the FDTD-MAS simulation method is one of the most powerful tools for the estimation of electromagnetic noise from near field to far field from small and thin source.     

太赫兹波段金属光子晶体光纤增强拉曼散射现象的研究

深入探究了金属光子晶体光纤的表面增强拉曼散射现象,建立了时域有限差分法的平板结构的模型,利用观察到的超强透射现象得到了发生拉曼散射的理论依据。金属光子晶体在太赫兹波照射下的表面电磁场增强效果的实验中得到:入射波能量越大,更易激发产生金属光子晶体的表面等离子体共振,可以使金属表面的增强效果得到较大增强;拉曼散射效果在太赫兹波段内十分明显,吸收光谱效果和荧光效应也相对较小,能够显著提高灵敏度和分辨率。     

含梯度折射率缺陷的一维光子晶体滤波性能研究

为实现一维光子晶体更优越的滤波特性,引入渐变折射率缺陷层,可以抑制某些特定频率的电磁波,产生光子禁带。利用时域有限差分（FDTD）法,严格求解麦克斯韦方程组。研究了缺陷层的折射率变化为抛物线型时对应的透射率谱线,并分析了周期介质层的折射率比、厚度比及周期数,对滤波性能的影响。研究表明,增加折射率比,含梯度折射率缺陷层的一维光子晶体可以实现更大的滤波带宽;改变厚度比,可以影响透射峰位置;改变周期数,则可以影响透射率。这一研究结果对提高光子晶体滤波器性能具有一定参考价值。     

温度、密度对磁化等离子体光子晶体的影响

为了研究温度、密度对磁化等离子体光子晶体禁带特性的影响,采用在等温近似的条件下,磁化等离子体的分段线形电流密度卷积时域有限差分算法研究了1维磁化等离子体光子晶体的禁带特性。以高斯脉冲为激励源,用算法公式得到的电磁波透射系数来讨论了温度、等离子体层密度对其禁带特性的影响。结果表明,改变温度和等离子体层密度分布可以实现对禁带的控制。     

New design of 2-D photonic crystal waveguide couplers

Optical couplers arei mportant componentsinthe sys-temof optical signal processing,optical communicationand optical calculation.Therefore many people areinter-estedinseekingfor those couplers with uniquefunction.Photonic crystals (PC)[1-2]have drawn great…     

三维FDTD方法计算光子晶体薄板结构

利用三维时域有限差分方法计算了具有不同介电常数的光子晶体薄板结构,得到了这些结构的带隙的数值结果,并作了分析;这些结果对于设计光子晶体器件有着指导作用。     

An improved ADI-FDTD method and its application to photonicsimulations

When the alternating direction implicit-finite difference time domain method (ADI-FDTD) is applied to simulating photonic devices, full efficiency can not be achieved if reasonable accuracy is to be kept, due to numerical errors such as numerical dispersion. A simple modification to ADI-FDTD is proposed by calculating the envelope rather than the fast-varying field, so that errors are minimized. A factor of two-five in speed can usually be gained while retaining the same level of accuracy compared with conventional FDTD. The efficiency and the accuracy of this improved approach is demonstrated on several problems, from simple waveguide structures to complex photonic crystal structures