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.     

Active control of slow light on a chip with photonic crystal waveguides

It is known that light can be slowed down in dispersive materials near resonances. Dramatic reduction of the light group velocity-and even bringing light pulses to a complete halt-has been demonstrated recently in various atomic and solid state systems, where the material absorption is cancelled via quantum optical coherent effects. Exploitation of slow light phenomena has potential for applications ranging from all-optical storage to all-optical switching. Existing schemes, however, are restricted to the narrow frequency range of the material resonance, which limits the operation frequency, maximum data rate and storage capacity. Moreover, the implementation of external lasers, low pressures and/or low temperatures prevents miniaturization and hinders practical applications. Here we experimentally demonstrate an over 300-fold reduction of the group velocity on a silicon chip via an ultra-compact photonic integrated circuit using low-loss silicon photonic crystal waveguides that can support an optical mode with a submicrometre cross-section. In addition, we show fast (approximately 100 ns) and efficient (2 mW electric power) active control of the group velocity by localized heating of the photonic crystal waveguide with an integrated micro-heater.     

一维类梳状波导光子晶体的频率带隙宽度

一维类梳状波导是由在一维主链上周期性接枝而形成的光子晶体,利用界面响应理论可导出波导的色散关系,据此分别讨论了这种光子晶体的带隙宽度与波导接枝参数之间的关系,接枝的介电常数和长度的变化将会使对带隙的宽度发生改变,通过数值计算发现,对于不同类型的接枝,参数变化引起的带隙宽度的变化趋势基本相同,而不同的参数产生的影响则有很大差别。特别的,当参数变化至某些特定点时带隙将会消失,这和其他类型的光子晶体完全不同,带隙的消失不是因为缺陷而仅仅是因为参数改变的影响。     

法拉第效应对N掺杂硅耦合腔光波导群速度的调控研究

耦合腔光波导是由光子晶体点缺陷的缺陷模式相互耦合而实现的,群速度是其重要的性能指标?本文模拟了由N掺杂半导体硅构成的光子晶体耦合腔光波导的能带结构?模拟发现,借助N掺杂半导体硅的法拉第效应,逆着光的传播方向施加磁场,缺陷模式所对应的相对介电参数会变小,群速度也随之逐渐降低,可以获得2.088×10^-4c的群速度,证实了法拉第磁光效应对波导群速度的调控作用?这一性能为如何在太赫兹或更低频段实现慢光效应提供了一种新的有效方式?     

Enhanced parametric amplification in slow-light photonic crystal waveguides

We demonstrate both theoretically and numerically that slow light can enhance the parametric process of silicon in photonic crystal line-defect waveguides. Specifically, to get the desired gain, the pump power for a given gain medium length or the gain medium length for given pump power can be reduced by （c/vgn）^2 when slow light waveguides are used, where n is the material index of conventional waveguide, vg is the group velocity of the slow light waveguide and c is the light velocity in vacuum.     

含点缺陷的光子晶体波导传输特性的研究

运用FDTD算法研究了含点缺陷的光子晶体波导的传输特性。首先分析了该波导的传输谱,然后动态模拟了光与波导相互作用的过程。结果表明在光子晶体波导中引入点缺陷有利于对光的控制,从而对光子晶体波导器件的设计有着一定的理论指导作用。     

光子晶体介电常数和波导宽度对负折射现象的频率的影响

为研究光子晶体中的负折射情况,利用时域有限差分法（FDTD）并通过模拟仿真观察了光在左手材料光子晶体中的负折射现象。以硅的圆形介质柱组成的二维六边形排列结构的光子晶体为例,分析了介电常数和波导宽度的变化对负折射现象的频率范围的影响。仿真结果显示：相对介电常数不宜过大,波导宽度根据频率选择的需要可采在0.2~0.5 a范围内选取,从而为制作具有负折射现象的宽带宽光子晶体提供参考。     

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。     

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.       

电磁波传播中的超光速群速和负群速

分析了产生群速超光速和负群速的条件。讨论了截止波导中消失波条件下的超光速群速和负群速。用模拟同轴光子晶体的结构进行实验,获得了阻带中的超光速群速,Vg=(1.5-2.4)c。     

Superluminal and Negative Group Velocity in the Electromagnetic Wave Propagation

1Introduction　InthestudyoftheEMwavepropagationintheearly 1 9thcentury,thephasevelocityofwavesisbroughtforward ,whichisdefinedasthepropagationvelocityofthephaseofharmonicwavesandcanbewrittenas:Vp =ω β (1 )Whereβisaphaseconstant.In 1 839,W .R .Hamiltonbroughtforwardaconceptofgroupvelocitytoexplainsomeofsuchcomplexphenomenaastwowavesofdifferentfrequen ciespropagatetogetherinonemedium .In 1 877,Rayleighgavethedefinitionofthegroupvelocityinhisfamousbook“TheoryofSound”andthegroupvelocityis…     

结构功能一体化的高性能陶瓷材料的研究与开发

从当前新材料的开发和材料科学发展向多功能、小型化、复合化、低成本制备等要求出发, 并就现有高性能陶瓷材料的基本性能和材料制备工艺上的优缺点进行了分析；简要介绍了碳化硅(SiC)陶瓷、 添加Nd的钇铝石榴子石(Nd-YAG)陶瓷、掺有稀土的氮化硅(RE-Si3N4)陶瓷等几种具有结构和功能一体化高性能陶瓷材料的优良性能,可能的应用以及目前存在的问题,特别是在基础研究和制备科学上今后应予以关注的方面。     

二维旋转复式晶格光子晶体绝对带隙的研究

设计一种二维旋转复式晶格光子晶体,利用平面波展开方法计算其带隙结构.结果表明,通过优化参量,该结构具有较大的绝对光子禁带,带隙宽度为0.08538(ωa/2πc),禁带宽度与中心频率比值达到17.91%.相对于其它光子晶体结构,该结构更容易产生绝对带隙.     

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.     

蝶型槽基片集成波导带通滤波器

利用基片集成波导的高通传输特性以及蝶型光子带隙结构的阻带特性,构建了一种新型结构的基片集成波导带通滤波器.为了验证该想法,设计了1个中心频率为4.65GHz,分数带宽为40%的滤波器,电磁仿真结果表明该滤波器在频率为3.71～5.6GHz范围内具有明显的通带特性,带内最大插入损耗约为0.4dB.利用PCB工艺制作了该滤波器的实物,使用矢量网络分析仪对其进行了测试,测试结果表明该滤波器的通带为3.78～5.76GHz,分数带宽约为41%,带内最小插入损耗为0.72dB,最大插入损耗为1.65dB.电磁仿真结果和实际测试结果较一致。     

密度对一维铝/硅橡胶声子晶体低频带隙的调控

选用金属材料铝和非金属材料硅橡胶,设计出一维铝/硅橡胶声子晶体结构.采用固体物理学中的集中质量法,基于MATLAB编程计算该声子晶体的能带结构.通过单一改变结构中材料铝的密度或者单一改变材料硅橡胶的密度,寻找单一材料密度变化对结构第1带隙的影响规律.结果表明：一维铝/硅橡胶声子晶体的第1带隙起始频率较低为30.6994 Hz,第1带隙带宽为45.479 Hz;当增大结构中两种组合材料的密度差值,可调节结构获得相对的低频、宽带带隙.研究结论可应用于低频率振动控制器件的设计.     

光波在一维光子晶体中传播行为的数值研究

由Kronig-Penney模型导出了光波在一雏光子晶体中传播的群速度的解析表达式，利用传输矩阵法对一维光子晶体的色散关系和群速度分布特征进行了数值研究．结果表明，光波在光子晶体中传播的群速度与光子带隙结构及色散特性有着密切的联系，光子导带内的群速度为有限值，在光子禁带的边缘，群速度迅速减小而趋于0，光的传播具有显著的带边延迟效应．同时，在反常色散区，群速度为负值，光的传播表现出明显的超光速现象．光子晶体的结构参数直接影响光波在光子晶体中的群速度．     

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.     

Spatial separation of spectrum inside the tapered metamaterial optical waveguide

In this work,the optical metamaterials based on silver dendritic cells are prepared by electrochemical deposition,and its transmission and focusing behaviors are investigated.The experimental results show that the optical metamaterials reveal a multiple pass-band transmission spectrum and a prominent focusing effect at the wavelength corresponding to the maximum transmission coefficient.Two optical metamaterial samples are combined into a tapered optical waveguide,and the spectra of transmitted light at the surface of the tapered optical waveguide is measured by using the fiber spectrometer along the light propagation direction.The results demonstrate that each frequency component of the wave packet is stopped at a different waveguide thickness,leading to the spatial separation of its spectrum.The spatial separation of spectrum can be effectively tuned by adjusting the inclination of the tapered optical waveguide,which can be used for storing photons and slow-light research.     

基于一维光子晶体超晶格的多通道滤波器

利用传输矩阵方法,研究了由两种具有特定散射关系的一维光子晶体交替排列所形成的一维光子晶体超晶格的光学特性,讨论了势垒宽度,势阱宽度及势阱数目对其的影响.计算结果表明,通过改变超晶格的结构,可以调节在光子禁带中透射带的数目、透射带中透射峰的数目,并且这些透射峰都具有很高的品质因子.这种光子晶体超晶格结构有望作为多通道滤波器在密集波分复用系统及集成光学系统中获得应用.