二维光子晶体的能带及慢光特性研究

通过二维方形与二维三角晶格光子晶体光纤能带的对比,选取二维三角晶格作为研究对象。介电常数的周期性在光子晶体中可以形成特殊的光子禁带,进而控制光子的运动状态。基于此,提出了一种单线缺陷光子晶体波导结构,通过分析其含有线缺陷时的能带结构及其色散关系、对群速度的影响等,使其有效慢光区域的GVD位于105～106量级。通过动态...     

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。     

复合结构光子晶体耦合腔波导慢光特性研究

为了设计能够传输宽带低色散慢光的光子晶体波导,以三角晶格圆形介质柱光子晶体结构为基础,使用圆形散射元和椭圆形散射元进行周期性排列,采用平面波展开法对所设计的耦合腔波导进行了仿真分析。结果表明,调整缺陷行椭圆形散射元长轴R_a可以使导模最大群速度从0.035c降低到0.01c,调节缺陷行短轴R_b的值,可以再次降低导模群速度;通过改变微腔周围第1排两种散射元的面积比,能够得到最大群速度0.0065c,波长范围为3.25nm的低色散慢光;将所设计的耦合腔应用于光缓存中,计算得出缓存时间为76.82ps,存储容量达到了15.56bit。这项研究对新型光子晶体慢光器件的设计和应用具有参考意义。     

Optimal design for one-dimensional photonic crystal waveguide

This paper proposes a logical method to design and optimize one-dimensional photonic crystal waveguides (PCWs). The logic is deduced from practical issues such as the fabrication of the waveguide structures and the subsequent optical coupling to other conventional waveguides. It is found that the individual layer thickness of an optimally designed PCW is exactly one quarter of the projection of the effective wavelength in the direction perpendicular to the layer plane. The paper also describes a handy way of finding the thickness of the central guiding layer of a symmetric waveguide. In order to demonstrate that the proposed logic and schemes are indeed functional, detailed numerical calculations are provided for a model PCW structure composed of a GaAs-AlAs-oxide system and an air-guiding layer.     

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,该设计的晶格常数等均处于纳米量级,相较于自由空间波长减小近30倍,具有小型化、高集成化等优势;该结构可在15.3THz~15.8THz频段范围进行动态调制。此研究为设计具有鲁棒性的纳米量级光子器件提供了参考,有望在波导频率的调控、光开关等领域拓展应用。     

Photonic-Crystal Heterostructure Waveguides

Photonic crystals (PC) are periodic dielectric structures that, if suitably designed, prohibit light propagation within a frequency band even though the constituent materials may be transparent in this range. One of the remarkable applications of such artificial photonic materials has been to provide guiding of light. Ultimately, to guide light in directions other than straight lines, PC waveguide (PCW) bends are needed, and thus are expected to be essential building blocks of photonic integrated circuits. While bending light through large angles is possible with conventional waveguides, the corner radii of such bends cannot typically be reduced to the electromagnetic wavelength, which hinders the realization of extremely compact devices. And though sharp two-dimensional (2-D) PCW bends have been proposed, the transmission is typically low and/or narrow band. Here we focus on PCWs obtained by introducing line defects in otherwise period 2-D PCs with the aims of enhancing the typical poor and low-bandwidth transmission through tight bends. We show how PCW bends occurring at heterojunctions between different PCs may enable unprecedented flexibility in meeting these aims. The deformation introduced to the usual PC lattice lifted off the angle constraint and resulted in the power transmission greater than 90% over in the 95-nm bandwidth     

波导层介质对二维光子晶体反射光谱的影响

构建了基底介质为SiO2、表面覆层介质为TiO2 的二维光子晶体,采用严格耦合波法分析了二维光子晶体的窄带光学传输特性。分析了二维光子晶体的晶格周期、波导层的折射率及厚度对其反射光谱的影响。分析结果表明:当光子晶体的晶格周期和波导层介质厚度为常数时,随着波导层介质折射率的增大,光子晶体的反射峰值波长红移,且波导层折射率与反射峰值波长呈线性关系。当光子晶体波导层介质折射率为常数时,波导层厚度增大或光子晶体晶格周期的增大都会引起光子晶体反射峰值波长增大,但这两个参数与反射峰值波长只是在一定的变化范围内为线性关系。此种结构的二维光子晶体覆层表面吸附分布不均匀的介质时,通过分析光子晶体的呈现光谱可获得其表面吸附介质的不均匀特性。     

Trapezoid 2D photonic crystal nanoring resonator-based channel drop filter for WDM systems

In the present work, a nanostructure of trapezoid photonic crystal ring resonator-based channel drop filter is designed for wavelength division multiplexing systems (WDM) to drop a channel at a center peak wavelength of 1543 nm. The proposed channel drop filter is composed of bus waveguide, drop waveguide, trapezoid nanoring resonator and reflector in a two-dimensional (2D) hexagonal lattice with circular rods arranged in air host. The trapezoid nanoring resonator is playing a very important role in WDM systems for dropping a single channel over a wide wavelength range. The photonic band gaps of perfect lattice structure and non-perfect lattice structure are absolutely calculated by plane wave expansion method. The functional properties of the designed filter are evaluated by finite difference time domain method (FDTD). The functional properties are center peak wavelength, dropping efficiency, passband width and quality factor. The FDTD method results show dropping efficiency is 100%, and quality factor is about 514.33 which are highly suitable for WDM systems. Further, lattice constant, inner and outer rod radius and refractive index difference of the structure are varied to tune the filter center peak wavelength and its corresponding functional parameters effects are investigated. The proposed nanoring resonator-based optical filter is ultra-compact size around \(14\, \upmu \hbox {m} \times 8.4\, \upmu \hbox {m}\); hence, it is extremely suitable for WDM-based photonic communication systems and photonic integrated circuits.     

基于慢光效应的解波分复用器的设计与研究

为了设计一种基于正方晶格光子晶体波导的三端口解波分复用器,利用光子晶体的光子带隙特性和光在光子晶体慢光波导中的传输特性,并采用平面波展开法及时域有限差分法对解波分复用器的特性进行了理论分析,数值计算了解复用器的空间和光谱分布特性。结果表明,调整波导中与波导紧邻的第1排柱子的位置,使三部分波导中传输的慢光频率发生改变,通过合理的结构设计,利用慢光模式传输的特点将不同频率的光从不同的输出端输出,可实现解复用的目的。     

光子晶体齿状波导的滤波特性研究

为了设计基于光子晶体波导的高性能滤波器件,在2维正方格子光子晶体波导结构中引入一系列齿状缺陷,采用有限元法对齿状光子晶体波导的传输特性进行了数值仿真和理论分析。结果表明,对于单个齿状缺陷,缺陷产生的共振频率使得在光子晶体波导通频域带出现带隙结构,可以实现良好的窄带滤波,并且通过改变齿状缺陷深度可以有效地控制缺陷的共振频率;引入多个齿状缺陷,缺陷之间会经过耦合作用形成一系列缺陷态,使得在光子晶体波导导通频域中出现宽带的带隙结构,可以实现宽带滤波。该光子晶体波导滤波器对窄/宽带滤波可根据波导结构中引入的齿状缺陷进行简单灵活调节。此研究在设计基于光子晶体波导的光子滤波器件方面具有潜在的应用价值。     

全带隙六边形晶格二维光子晶体结构研究

提出了一种具有全带隙的光子晶体结构。基于GaAs材料的六角晶格结构,将各格点之间用特定宽度的介质波导相连,可构成具有全带隙的光子晶体结构。在此基础上,引入空心格点,将有效增大全带隙宽度。使用平面波展开法对该结构进行了理论分析。仿真结构表明,最大绝对禁带宽度??为0.0619?e(a是晶格常数,c是光速,?e=2πc/a ),禁带中心频率?mid为0.663?e,相对禁带宽度为??/?mid=9.3%。采用该结构,可以有效构造出全带隙,避免了光子晶体结构偏振选择特性。     

Terahertz 2-D Photonic Crystal Waveguides

A 2-D photonic crystal waveguide with strong passbands in the THz frequency range is demonstrated. The 2-D metallic photonic crystal waveguide structure is bounded by parallel metal plates in the vertical direction and by a square lattice of metallized cylinders on the horizontal axis. The attenuation of the photonic crystal waveguide is experimentally determined and compared to the fundamental mode of a comparably sized rectangular waveguide. The measured dispersion characteristics of the waveguide are discussed, and the output is compared to a finite-difference time-domain simulation.     

基于磁性光子晶体的多端口环行器设计

基于二维三角晶格和正方晶格光子晶体分别设计了六端口和八端口光子晶体环行器.环行器由硅介质柱光子晶体波导和铁氧体介质柱缺陷构成.所设计的六端口环行器每个波导连接处只有一个铁氧体材料,能够有效降低损耗;八端口环行器波导连接处添加了多个铁氧体材料可有效提高隔离度.使用有限元法对电磁波在环行器中的传输进行了仿真验证.计算结果表明,六端口环行器各端口的隔离度达到22～38 dB;八端口环行器各端口的隔离度达到21.7～40.5 dB.设计的多端口环行器具有结构简单紧凑、隔离度高、损耗低的优点.     

带有光子晶体波导的微型随机激光器研究

文中采用有限时域差分(FDTD)法研究了ZnO随机介质与光子晶体波导相结合的微型激光器的辐射特性和频谱特性,用平面波展开法分析了光子晶体能带特性。数值研究结果表明:由于光与随机介质相互作用,使得光在该微型激光器中放大,损耗减小,存在较长滞留时间,同时随机介质局域光的能力变强,激光的阈值降低,而且含四方格子结构光子晶体的激光器具有良好的激光特性和调制作用。该新型器件的设计与研究将为研制可嵌入集成光子芯片的、低阈值的微型激光器提供理论基础。     

光子晶体波导与微腔耦合的三通道波分复用器

为了实现对光波有效的选择输出,并且使光波的带宽很小,设计了微腔耦合的三通道波分复用器。对该器件采用时域有限差分法和微腔与波导间耦合模进行研究。首先,根据微腔选择不同频率的光波,设计光子晶体滤波器模型。然后,基于光子晶体耦合模理论,由定向耦合波导和一个高品质因子微腔构成的波分复用器。最后,为了提高输出光的透射效率,在波分复用结构的主波导的输出端,增加五个介质柱,形成一个反射层。实验结果表明:此结构能够通过微腔选择不同频率的光波,经过优化设计后的波分复用模型,光波的透射率得到了提高,波长λ=1.763μm的光波达到透射率将近90%。在光子晶体中取多个微腔可以选择输出更多波长的光波,所以这种结构在光子晶体集成器件的制作上有很好的应用前景。     

基于光子晶体方形谐振器的可调谐光信号分离器

在二维光子晶体结构中通过调节光子晶体方形谐振器PCSRs(Photonic Crystal Square Resonators)与波导的耦合长度、耦合宽度、及其耦合柱半径优化设计了光信号分离器.借助于CMT(Coupled-Mode Theory)理论定性分析了两个PCSRs存在相互作用时,结构中波导与谐振腔之间的电磁波耦合性能,用FDTD方法研究了两信道传输工作特性.表明在设计的参数范围中,基于PCSRs的信号分离器具有高正规化传输率、窄带宽、平稳的信号传输强度,中心波长调谐范围宽的特性.该类结构可用于同一中心波长信号的功率二等均分,也可用于不同中心波长信号的分离.该微型结构在片上的光路设计将是一类有潜力的构筑模块,适于光通信领域波分解复用设计、光路集成设计等方面.     

椭圆芯扁六角聚合物光子晶体光纤的偏振特性

采用全矢量定域基函数模型,以聚合物PMMA为基材,研究了椭圆芯三角点阵扁六角结构光子晶体光纤(Photonic crystal fibers,PCFs)的偏振特性,分析了其相位模双折射和群模双折射与相对孔间隔比的依赖关系,并与椭圆芯三角点阵正六角结构PCFs的研究结论进行比较;研究发现,椭圆芯扁六角结构PCF的偏振特性强烈的依赖于光纤的结构参数,由于色度色散的存在,在短波长段,群双折射远远高于相位模双折射,通过适当调节光纤的相对孔径和相对孔间隔比,有望在给定波长实现高双折射和零偏振模色散单模运行.该研究为高双折射聚合物光子晶体保偏光纤的制备提供了理论依据.     

平面金属光子晶体波导宽度对导行模的影响

本文用频域有限差分法计算平面正方排列金属光子晶体的TM 模全域带隙图,结果表明当填充比大于0.11 是一 值时会出现多个禁带,适当的引入线缺陷可分别在这些带隙中引入缺陷模,形成光子晶体波导,光子晶体波导支持的电 磁波模式和通道宽度有着密切的关系,通过调节缺陷宽度可以实现单模传输并使单模传输带宽最大化。     

混合表面等离子体光子晶体波导

构建了一种金属-绝缘体-半导体混合表面等离子体结构,基于时域有限差分法验证了该结构在归一化频率0.243~0.271 (a/λ) 范围内具有明显的TM模式带隙。在二维光子晶体层移除或改变中间行空气孔半径构成线缺陷,形成混合波导结构1和2。分析表明,入射光频率位于带隙内的光子能量被很好的局域在低折射率层中,且只能沿线缺陷传输。当入射波长为1550nm时,两种波导的传输距离分别为18.41μm和15.70μm,群速度极值分别为0.186c和0.166c,品质因数FoM达到384.74和1042.50。此波导能通过光子晶体层的线缺陷控制低折射率层SPP的传输路径,为波导器件的研究提供了有效的理论基础和依据。     

国产化大模场掺镱光子晶体光纤的设计与制备

理论分析了空气孔尺寸与晶格常数对光子晶体光纤(PCF)单模特性的影响,设计了大模场双包层PCF的波导结构。采用自主知识产权的专利技术,制备出高数值孔径大模场掺Yb双包层PCF,其内包层数值孔径为0.65,纤芯数值孔径为0.06,有效模场面积为1 465.7μm2。