二维光子晶体波导传输分析

光子晶体是一种新兴的光学结构,其优异的光学特性可以用于制造各类光子晶体器件。本文在完整的光子晶体中引入缺陷,构造出光子晶体波导。将时域有限差分方法应用于二维光子晶体缺陷特性的分析,设计了L型、U型、直线点缺陷型等几种光子晶体波导结构,对其时域能量传输特性进行了分析,其研究结果为光子晶体传输器件的设计和制作提供了一定的理论依据。     

二维函数光子晶体波导带隙和电场分布的调制

在二维函数光子晶体波导中, 研究介质柱介电常数对带隙结构的调制, 以及波导中加入点缺陷时, 点缺陷介质柱介电常数对电场分布和光传播方向的调制. 结果表明： 当二维函数光子晶体波导中不含点缺陷时, 改变波导中介质柱介电常数的参数b和k值, 可调节波导的禁带数目、 禁带位置、 缺陷模的数目和位置;  当二维函数光子晶体波导中含点缺陷时, 改变点缺陷介质柱介电常数的参数b和k值, 可改变电场分布和光的传播方向.       

点缺陷对波导的电场分布的调制

在二维函数光子晶体研究的基础上,进一步研究二维常规光子晶体波导中加入点缺陷介质柱时,二维光子晶体波导的带隙结构与电场分布情况.其中点缺陷介质柱介电常数是空间坐标的函数,其函数形式为εr=kr+b,参数k和b的变化可以通过光学Kerr效应或电光效应来实现.结果表明,通过改变点缺陷介质柱介电常数的参数k和b以及点缺陷半径ra,可以调节光的传播方向和光场分布,从而可以控制光在波导中传播方向.因此当含点缺陷时,二维常规光子晶体波导的光场分布和光的传播方向具有可调性.这些理论为光学器件的设计提供有价值的新的设计思路.     

光子晶体耦合腔波导中的慢光特性研究

研究了二维光子晶体耦合腔波导的慢光传输特性.利用平面波展开法分析不同结构的耦合腔波导的色散曲线.分析发现,光子晶体耦合腔波导的慢光特性与点缺陷微腔的几何尺寸有关.通过调制点缺陷的半径可以改变慢光导模的中心频率.另外发现,点缺陷微腔间距也是影响耦合腔波导慢光特性的重要参数.增大距离n,零色散点导模的群速度明显下降,可以获得群速度为0.005c的慢光模式,而导模的中心频率变化不大.该分析结果为设计不同要求的慢光波导结构提供重要参考.     

二维方柱光子晶体的波导特性

具有缺陷的光子晶体,光子频率带隙内将出现局域模,而线缺陷相应地形成一个传输效率很高的光波导.计算了空气中Al材料的旋转四边形直柱光子晶体存在线缺陷时的带结构和态密度,给出了二维方形光子晶体的波导的TM模的电场分布,并讨论了波导耦合的传输效率.     

基于二维光子晶体的THz频分复用器件

THz通信及检测等应用领域迫切需要THz窄带滤波及频分复用等损耗小可集成的器件,设计了一种基于光子晶体点缺陷和线缺陷的THz频分复用器。该系统是在空气和高阻硅构成的二维正方形结构光子晶体中设置两个线缺陷实现上下载波导功能,同时设置两个间隔的空气点缺陷实现频率选择功能。利用平面波展开法和时域有限差分方法,分析了这种结构的光子晶体缺陷模特征及线缺陷和点缺陷之间的耦合特征,下载波导输出端的频谱表明在0.927THz和1.184THz处有两个窄带输出峰,当改变两个空气点缺陷之间的硅柱半径时,两个窄带峰的中心频率可调。     

光孤子在非线性光子晶体弯曲波导中的传输特性研究

通过数值模拟方法研究了非线性光子晶体波导中光孤子的传输特性,研究重点是光在基于二维光子晶体材料制作的弯曲波导中的透射行为,结果表明光孤子经过传统方法制作的弯曲波导后能量完全衰减,而通过调制波导弯曲处晶体的结构,光孤子可以完美的传输,没有畸变和能量损耗。此外,也总结了调制波导弯曲处光子晶体结构以提高光孤子的透射率应遵循的原则。     

基于Dirichlet-to-Neumann映射计算波导中缺陷激发的连续谱束缚态

利用Dirichlet-to-Neumann(DtN)映射方法分析和计算在光子晶体波导中由点缺陷激发的BIC,通过将整个平面上的特征值问题转化成截断区域内的正方形单元晶格所有边上的特征值问题,避免了对于计算区域内部的计算,缩小了矩阵规模,降低了计算的工作量和难度.基于该方法,确定了几种能够激发波导中BIC的点缺陷的参数...     

硅光子晶体光纤中太赫兹波的衰减特性分析

本文采用有限元法分析了太赫兹波在光子晶体光纤中的传输特性,并对比在不同空气孔径下,太赫兹波在光子晶体光纤中的场分布和衰减。当d/Λ=0.95时,太赫兹光子晶体波导的传输损耗达到0.0012dB/m,满足太赫兹波传输要求。     

二维三角晶格光子晶体的带隙计算和波导的传输效率分析

采用平面波展开法对二维三角晶格介质柱光子晶体和空气孔光子晶体分别在TM和TE极化下的带隙进行了计算;采用时域有限差分法分别计算了TM模和TE模在二维三角晶格介质柱和空气孔弯曲波导中的传输效率。研究对设计高传输效率的光子晶体波导定向耦合型器件具有重要意义。     

基于光子晶体环形腔的滤波与分束器件设计

基于光子晶体环形腔与波导之间的共振耦合原理,设计了一款由环形缺陷和线缺陷组成的三端口二维三角晶格光子晶体双功能器件.运用平面波展开法和时域有限差分法分析了光波在器件结构中的传输特性,得到了传输特性曲线和光场分布,然后讨论了环形腔中心柱数量和疏密程度对输出端口透射率的影响.结果表明,通过调节环形腔中心介质柱的数量可进行选频,当环形腔中心柱数量为5时,器件可实现波长1.346,1.455 μm的滤波功能与波长1.414 μm的波束均分功能;根据中心柱水平和竖直方向的间距对透射率的影响规律,得到器件的最佳结构参数,以及器件的滤波与分束波长透射率.     

二维光子晶体中导模的优化

提出了方形二维光子晶体的结构,并引入缺陷形成耦合腔波导和线缺陷波导。应用时域有限差分(FDTD)法研究其传输特性,结果表明对于耦合腔波导,当缺陷周围介质柱直径变化时,第一光子禁带中会出现宽频缺陷模。并且当介质柱直径减小时,缺陷模会向高频移动,而导模宽度则会有规律地扩展或者缩小。在线缺陷波导中,逐渐减小缺陷两侧介质柱的直径或介电常数,发现导带向高频移动,并且带宽逐渐减小     

光子晶体波导中的慢光研究

利用平面波展开法研究了二维光子晶体线缺陷波导中慢光的传输特性.本文探讨了缺陷波导中缺陷处椭圆形介质柱长短轴的变化对缺陷模式所产生的影响.分析表明,调节缺陷处椭圆形介质柱长短轴的尺寸能得到平坦的导模色散曲线图.可得到的群速度最大值低于0.072c,带边群速度最小值仅为0.002c,慢光模式为单模式,对光的局域更强,而且设计简单的慢光波导结构.     

三波长光子晶体耦合波分复用器的设计与仿真

目前,光子晶体的波导共振耦合技术被广泛应用,设定波长下的波导透射频率的高低成为影响器件功能优劣的重要因素。首先对比了改变光子晶体介质柱折射率和半径的大小与耦合点归一化频率的关系,之后利用时域有限差分法设计了一种由三种波导构成的共振耦合型光子晶体结构的波分复用器,并且在波长分别为1 490 nm与1 440 nm的光信号下的波导共振区域增加了一定数量的介质柱形成一种新的微腔耦合区域。并且通过在1 310 nm波长的输出信道末端改变介质柱的半径大小,使得1 310 nm波长的光信号的透射率提高到了95.5%。研究表明,通过增大介质柱半径的大小Rc,可以使得对应的光信号透射率的大幅改善。     

Controlling cavity reflectivity with a single quantum dot

Solid-state cavity quantum electrodynamics (QED) systems offer a robust and scalable platform for quantum optics experiments and the development of quantum information processing devices. In particular, systems based on photonic crystal nanocavities and semiconductor quantum dots have seen rapid progress. Recent experiments have allowed the observation of weak and strong coupling regimes of interaction between the photonic crystal cavity and a single quantum dot in photoluminescence. In the weak coupling regime, the quantum dot radiative lifetime is modified; in the strong coupling regime, the coupled quantum dot also modifies the cavity spectrum. Several proposals for scalable quantum information networks and quantum computation rely on direct probing of the cavity-quantum dot coupling, by means of resonant light scattering from strongly or weakly coupled quantum dots. Such experiments have recently been performed in atomic systems and superconducting circuit QED systems, but not in solid-state quantum dot-cavity QED systems. Here we present experimental evidence that this interaction can be probed in solid-state systems, and show that, as expected from theory, the quantum dot strongly modifies the cavity transmission and reflection spectra. We show that when the quantum dot is coupled to the cavity, photons that are resonant with its transition are prohibited from entering the cavity. We observe this effect as the quantum dot is tuned through the cavity and the coupling strength between them changes. At high intensity of the probe beam, we observe rapid saturation of the transmission dip. These measurements provide both a method for probing the cavity-quantum dot system and a step towards the realization of quantum devices based on coherent light scattering and large optical nonlinearities from quantum dots in photonic crystal cavities.     

2D-3D异质结结构中集成波导的优化

为了探究光子晶体在多方向上的传输特性,采用时域有限差分方法系统地设计、模拟和分析了太赫兹波段下2D-3D异质结结构中的波导集成器件。通过对垂直波导和输出波导的优化设计发现,减小垂直波导中邻近微腔之间的旋转角度可以有效提高集成波导的传输效率;增宽输出波导时,导带范围和传输效率进一步得到了改善。另外通过设计研究了多方向传输的集成波导器件,证明其各方向都具有良好的传输效率。     

光子晶体点缺陷在入射光激励下的响应特性研究

研究了光子晶体点缺陷在入射光激励下的响应特性,通过理论分析可以获得点缺陷的透射谱.分析发现,非线性点缺陷的缺陷模在入射光的激励下发生动态移动,且满足两个特征:首先,入射光功率强度越大,缺陷模移动幅度越大.其次,整个缺陷模的透射率随着功率强度的增大而降低.采用泵浦-探测技术的数值模拟方法可获得非线性点缺陷的动态特征.泵浦光和探测光可以选择不同频率以使缺陷模的特征比较清晰.所得现象与理论分析结果一致.该结论为该类光子晶体的应用提供理论依据.