光子晶体THz器件的研究进展

近年来,随着国际上掀起的太赫兹(Terahertz,THz)研究热,太赫兹科学技术的发展更为迅速.但是,对于THz的各种功能器件,利用基于经典电磁理论的微波技术手段或者利用基于量子理论方法的光学技术手段都遇到了很大的困难.90年代末,随着频率禁带处在THz波段的光子晶体(Photonic crystal,PC)制作方法和技术的提高,基于光子晶体的THz器件应运而生.为此,就国际上在光子晶体THz滤波器,光子晶体THz波导,光子晶体THz光纤和光子晶体THz谐振腔方面所做的主要工作和研究成果进行了较详细的论述分析及归纳总结,并对光子晶体THz器件未来的发展提出了几点看法.     

基于光子晶体自准直效应的太赫兹波开关

利用光子晶体的自准直效应和砷化镓(GaAs)介 质的光学特性,提出了一种基于介质板 空气孔型的二维正方晶格光子晶体的光控太赫兹(THz)波开关。波长为810nm的激光器作为 泵浦光源,通过光照改变GaAs介质材料折射率的方法,控制THz波的导通和截止;利用光 子晶体的自准直效应,可以实现光束在光子晶体中的无衍射传输。利用Rsoft软件,结合平 面波展开法(PWE) 和二维时域有限差分法(2D-FDTD) ,对提出的THz波开关进行了仿真研 究。结果表明:本文方案可以实现THz波开关功能,其响应速度为107.12ps,消光比为27.65dB, 插入损耗为0.086dB,对入射的THz波具有一定的角度容差;并且结 构简单,易于集成,在未来THz波无线通信技术中具有重要的应用价值。     

基于光子晶体的太赫兹微带贴片天线的设计

本文设计了一个以二维光子晶体为基底用于太赫兹无线通信的微带贴片天线（0.4-0.6Thz）。太赫兹波介于微 波和光频之间,占有很大的带宽,随着人们对通信质量的要求越来越高,太赫兹通信将成为必然趋势。用二维光子晶 体做基底,有抑制表面波,提高天线的方向性,增益和效率等特性。文章中设计的天线的带宽,增益和方向性分别达 到了31.7%,6.7DB 和8.5DBi,为未来短距离无线通信和太赫兹空间通信提供了参考。本文选用了CST 仿真软件。     

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。     

二维正方晶格光子晶体的带隙研究

利用平面波展开法模拟了二维正方晶格光子晶体的能带结构,通过改变介质柱半径的大小从r=0.2a变化到r=0.4a和介电常数的大小从εa=11.6变化到εa=20,分析研究了光子晶体的光子禁带以及太赫兹波在光子晶体中的传输特性。研究结果为制作太赫兹波段的光子晶体器件提供了理论依据。     

0.2 THz频段的光子晶体微带天线研究

将缺陷型一维光子晶体应用在微带天线上,设计了一款工作在0.2 THz 频段处的光子晶体微带天线,并且利用基于有限元法的三维电磁仿真软件 HFSS 以及软件 Origin 进行模拟仿真及作图。研究表明：光子晶体微带天线的增益可以达到9.3 dB,与普通微带天线相比增益增加了2.5 dB。并且讨论了光子晶体的周期层数对微带天线的影响,发现光子晶体周期层数为3层时,天线的回波损耗最低。然后以周期层数为3层的光子晶体微带天线为例,讨论了不同的光子晶体与微带天线的距离对天线的增益和回波损耗的影响。     

环烯烃聚合物太赫兹光子晶体光纤设计与制造

为降低传输损耗,在太赫兹波段采用具有低吸收损耗的环烯烃共聚物作为基质材料,设计了一种太赫兹光子晶体光纤。通过全矢量有限元法模拟仿真,对光子晶体光纤的损耗和频率的关系进行了分析计算。结果表明,这种光纤在太赫兹频段具有良好的传输特性,大大优于传统的金属波导,且该类型光纤还具备良好的弯曲性能,在太赫兹频段具有重要应用价值。     

光子晶体超晶格的能带折叠

我们分析了光子晶体超晶格的能带结构，光子晶体超晶格的能带与半导体超晶格的相同，都有能带的折叠现象。一维光子晶体超晶格的每条能带被折叠成M条，二维光子晶体超晶格的第一条能带被折叠成M^2条，M是每个维度晶格放大的倍数。显然如果是三维光子晶体超晶格，每一条能带将被折叠成M^3条。     

太赫兹波在二维正方晶格光子晶体中的传播特性

本文用平面波展开法研究了太赫兹波(THz)在二维正方晶格光子晶体中的传播特性。分析了晶格常数为a=0.1mm的正方晶格介质柱二维光子晶体,在0~1.8THz频段范围内,通过数值计算,发现当介质圆柱半径r=0.2a时,E偏振出现最大绝对光子带隙,带隙位于0.283-0.400THz,带隙宽度为0.117THz,相应的带隙波长范围为84.9μm至120μm,处于THz波段,并分析了随着相对介电常数差值的增大出现的TM带隙宽度增大。研究结果为THz器件的开发提供了理论依据。     

太赫兹波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性

用平面波展开法研究了太赫兹波在二维三角晶格光子晶体中的传播特性。数值计算了以硅为背景的空气圆柱构成的二维三角晶格光子晶体的能带结构和态密度,计算表明r=0.50a和r=0.46a时,E偏振和H偏振分别出现最大光子带隙,带隙宽度分别0.1097THz和0.1935THz,在r=0.48a出现最大完全光子带隙,带隙宽度为0.0759THz,光子晶体态密度的分布也表明了存在光子带隙的范围,研究结果为太赫兹器件的开发提供了理论依据。     

三反射镜准光腔Smith-Purcell辐射的研究

三反射镜准光腔作为一种特殊准光谐振系统在特定模式具有较小的衍射损失,同时能有效提高电子注与高频场的互作用效率;采用中等能量的相对论环状电子注激励轴对称的、带有绕射光栅的三反射镜准光谐振系统可以得到相干Smith-Purcell辐射。采用2.5维全电磁粒子模拟程序对该器件进行了粒子模拟,在输入电压为50kV,输入电流为39.4A时,得到频率为97.2GHz,峰值功率为8kW的相干Smith-Purcell辐射输出。     

准一维同轴光子晶体传输特性研究

用SMA型同轴标准接头组成具有一维晶格结构的准光子晶体，通过分析其传输特性，对同轴光子晶体所具有的光子带隙进行研究，并在其中引入杂质，比较掺杂前后的光子带隙变化，探讨了掺杂位置、杂质类型和杂质数量等对光子带隙的影响。     

复周期结构光子晶体的光子能带特性研究

本文构思了一种每个周期内部有几个不同的小单元的复周期结构光子晶体，并利用光学传输矩阵法对这种光子晶体进行了数值模拟计算。计算结果表明，这种复周期结构光子晶体比普通结构的光子晶体多出1个大的光子禁带区。适当调整参数还可以分别获得多通道窄带滤波特性、带通滤液特性和窄带透过特性。     

Smith—Purcell型自由电子激光的辐射

基于电子与光栅表面电势场相互作用的模型，用经典的单粒子理论研究了Ｓｍｉｔｈ－Ｐｕｒｃｅｌｌ效应的辐射过程，得到了自发辐射谱。讨论了自发辐射与受激辐射之关系，即Ｍａｄｅｙ定理在该类激光器中的对应形式。结果对于高能电子束同样适用。     

Photochemically Controlled Photonic Crystals

We have developed photochemically controlled photonic crystals that may be useful in novel recordable and erasable memories and/or display devices. These materials can operate in the UV, visible, or near‐IR spectral regions. Information is recorded and erased by exciting the photonic crystal with ～ 360 nm UV light or ～ 480 nm visible light. The information recorded is read out by measuring the photonic crystal diffraction wavelength. The active element of the device is an azobenzene‐functionalized hydrogel, which contains an embedded crystalline colloidal array. UV excitation forms cis‐azobenzene while visible excitation forms trans‐azobenzene. The more favorable free energy of mixing of cis‐azobenzene causes the hydrogel to swell and to red‐shift the photonic crystal diffraction. We also observe fast nanosecond, microsecond, and millisecond transient dynamics associated with fast heating lattice constant changes, refractive index changes, and thermal relaxations.     

二维Kagome格子光子晶体禁带的数值模拟

采用平面波展开法模拟计算了由空气背景中的介质柱构成的二维Kagome格子光子晶体的能带结构，得到了使完全光子禁带最大化的结构参量．计算结果表明：由圆形、正六边形和正四边形三种不同形状锗介质柱构成的Kagome格子光子晶体都出现了完全光子禁带，最大禁带分别为△=0．014(ωa／2πc)、△=0．013(ωa／2πc)、△=0．011(ωa／2πc)．发现由圆形和正六边形两种介质柱构成的Kagome格子光子晶体在填充比连续变化的较大的范围内都有宽度较为稳定的完全禁带，且它们具有非常相似的能带结构．     

一类慢变周期结构光子晶体的能带特性研究

本文改造了一种周期厚度保持不变，但相邻周期内部高低折射率区的厚度发生缓慢变化的变周期结构的光子晶体，并对其光子能带特性进行了分析。研究发现，本文所提出的两端带有慢变结构的光子晶体能够有效地拓宽光子能带带隙，与均匀结构相比，拓宽率可以达到200%以上。     

Assembly of Wiseana Iridovirus: Viruses for Colloidal Photonic Crystals

In vitro assembly of Wiseana iridescent virus (WIV) yields iridescent pellets and films with structural color more vivid than in the native insect. WIV is icosahedral in shape, 140 nm in diameter, with 30 nm long fibrils attached to the outer surface, and exhibits a surface charge ca. 1/6th that of a comparable polymer colloid. The low surface charge and tethered chains on the virus surface allow the facile modification of the interparticle distance. Directed sedimentation yields predominantly an amorphous liquid‐like packing of the virus. Such samples exhibit a broad reflection band that is angle independent and for which the broad maximum can be reversibly shifted from blue towards red with increased hydration. Slow sedimentation and flow‐assisted assembly methods produce thin films with a polycrystalline morphology that exhibit narrower, more intense reflectivity peaks, which are hydration and angle dependent. This study points toward the potential of viral particles for photonic crystals where their unique structural features (icosahedral symmetry, extreme monodispersity, precise surface functionalization, and tethered surface chains of low surface‐charge density) may lead to superior control of optical properties of their assembled arrays.     

太赫兹波在金属光子晶体中的传播特性

构造了一种适用于太赫兹器件的二维金属光子晶体结构。研究了晶格常数α=0. 3mm的正方晶格二维铜介质柱光子晶体,这样的结构在工艺上相对容易实现。在0 ~2THz频段范围内,发现当金属柱半径从0. 1α到0. 3α变化时,随着圆柱半径的增大,禁带的中心频率上移,并且带隙的宽度增大;当金属柱半径为0. 32α时,出现了两个禁带。研究结果为性能优良的THz器件开发提供了理论依据。     

Artificial Defect Engineering in Three‐Dimensional Colloidal Photonic Crystals

Artificial defect engineering in 3D colloidal photonic crystals is of paramount importance in terms of device applications. Over the past few years, we have carried out a great deal of research on introducing artificial defects, including point, line, and planar defects, in 3D colloidal photonic crystals by using “bottom‐up” self‐assembly in combination with “top‐down” micromachining techniques. In this Feature Article, we summarize our research results regarding the engineering of artificial defects in self‐assembled 3D photonic crystals, along with other important research breakthroughs in the literature. The significant advancements in the engineering of defects as reviewed here together with the encouraging reports on the fabrication of perfect colloidal crystals without unwanted defects will collectively lead to technological applications of self‐assembled 3D photonic crystals in the near future.