基于角度调谐的光子晶体滤波特性研究

提出一种含CaF2缺陷层的一维光子晶体结构,可用于光通信波段的可调谐滤波。通过传输矩阵理论对滤波器透射特性进行分析,结果表明:随着周期数目的增加,光子晶体禁带截止度增强,缺陷模半高宽逐渐变窄,同时缺陷层厚度增加使缺陷峰的位置均匀红移;正入射时,所设计滤波器结构的光子禁带范围是1 170~2 150nm;当入射角增大至掠入射过程中,TE模式全角度光子禁带为1 170~2 035nm,TM模式全角度光子禁带为1 170~1 640nm,表明TM模式禁带对入射角度的变化较敏感。研究发现,选取较大的入射角度或增加光子晶体周期数可以使TM,TE模式透射峰完全分离,通过角度调谐方式可实现光通信S波段两种模式的滤波。该光子晶体滤波器具有高透射率,窄半高宽,宽调谐范围的滤波特性,可有效提高传统滤波器的滤波性能。     

新型光子晶体光纤传感器的基础研究

光子晶体光纤因其独特的光学特性、结构可灵活设计的优点以及对空气孔中填充的材料参量变化敏感的特点而成为近几年来传感领域的研究热点。该课题对填充金属纳米材料、气体、液体等材料的光子晶体光纤的光谱特性、温度传感特性及光子晶体光纤光栅的成栅机理进行了深入的研究,得到了一些很有价值的结论,为基于PCF的传感器的实现与应用及进一步拓宽光纤的原有领域奠定了良好的基础。(1)设计了一种有源PCF-SPR传感器,其特点是将有源内腔检测技术与表面等离子共振相结合,利用一根包层气孔充入金属纳米线溶液纤芯掺杂激活介质的光子晶体光纤实现探测激光产生、信息传感及光信号传输集一体的有源传感,并且由于纤芯的折射率可达到1.58,从而也拓宽了PCF-SPR传感器的探测范围。(2)针对在PCF气孔镀金属纳米膜的工艺较难的情况,实验上采用填充Ag纳米线悬浮液的方法实现了PCF-SPR温度传感,实验结果与仿真结果变化趋势一致,此方案可保持PCF用于表面等离子共振传感器的某些优点又简化了工艺操作。(3)设计了一种聚合物光子晶体光纤用于表面等离子共振传感器,这种光纤采用聚甲基丙烯酸甲酯制作,金属膜只需镀在光纤的外部,方便操作。仿真模拟结果表明,聚合物PCF半径、中心空气孔数量及空气孔的直径对波长灵敏度的影响很小,这样降低了对PCF制作的精密度的要求,有利于PCF的实际制作。(4)研究了一种基于混合液体填充的反射式光子晶体光纤温度传感探头,这种结构使得传感部分可以方便的伸入待测环境,相对于透射式传感装置而言,该种反射装置具有更为灵活实用的优点。实验结果表明,该种光子晶体光纤温度传感器可以在特定温度范围内呈现线性响应,其温度灵敏度约为1 d B/°C。此外,根据不同的溶液配比,该种传感器呈现可调谐的温度灵敏区间。(5)对由光子晶体光纤光栅组成的新型生物传感器特性进行了研究,重点对光纤结构参数(空气孔直径和孔间距)、光栅参数(光栅周期和周期个数)、塌缩程度和塌缩方式对谐振波长的影响进行了分析,研究结果表明,随着空气孔直径的增大、孔间距的减小、光栅周期的增大和塌缩程度的减小,其谐振波长向短波方向发生漂移,随着周期个数的增大,其谐振波长未发生明显漂移。     

基于光子晶体微腔和光纤环形衰荡的微力传感器

提出一种基于光子晶体微腔的高灵敏度的微力测量方法.首先,提出一种M型结构的梁作为传感探头,使系统在受到微力作用时,仅有光子晶体微腔的空气孔折射率发生变化而引起谐振波长的漂移,极大地提高了传感器的线性度和测量范围.然后,对微纳环结构的光子晶体微腔结构进行优化设计,获得了品质因子高达7100的微腔.最后,选择合适的实验器件及其特性参数,搭建基于光纤环形衰荡的波长解调系统,实验结果表明该系统的波长解调灵敏度为90μs/nm,所设计的微力测量系统的灵敏度可达194.616μs/μN.     

磁流体光子晶体微腔的磁场响应特性

提出了基于磁流体光子晶体的微腔,并对其形成过程进行了理论解释,进而研究了该微腔的传感特性,计算了其光透射特性.分析了薄膜厚度分别为6μm和0.94μm时磁流体光子晶体微腔的磁场响应特性.研究结果表明,随着外加磁场增加,这两种结构的光子晶体谐振峰中心波长分别蓝移了4.130μm和0.076μm;磁场响应的最大灵敏度分别为243 nm/m T和3.8 nm/m T.这种基于微腔的传感系统具有易调谐、制备简单,且灵敏度高等优点,为胶体光子晶体在传感领域的应用提供了新的思路.     

一维光子晶体的量子透射特性

用光的量子理论方法研究一维光子晶体的量子透射特性,先给出一维光子晶体的量子转移矩阵和量子透射率,再计算缺陷层数目、厚度及折射率变化对一维光子晶体量子透射特性的影响.结果表明,缺陷层参数的变化对禁带位置、缺陷模位置和强度均产生影响.     

酸碱气体敏感的反蛋白石光子晶体荧光传感薄膜

构筑挥发性酸碱气体检测荧光传感薄膜.利用慢光子效应增强荧光的特性,在具有三维大孔结构的SiO2反蛋白石光子晶体孔隙填充功能有机小分子(HPQ-AC),实现了对NH3和HCl气体的高效连续检测.将所制的传感薄膜置于NH3氛围中,30 s内在496 nm处发射强的荧光.通过选择光子禁带蓝带边与荧光发射波长重叠的光子晶体,实...     

缺陷光学厚度对对称结构一维光子晶体透射谱的影响

在A层为双正和双负介质情况下,用传输矩阵法理论研究缺陷层的光学厚度对对称结构一维光子晶体（AB）mC（BA）m透射谱的影响,结果发现：在无缺陷情况下,不论A层是双正还是双负介质,禁带中心均出现超窄频带单透射峰,具有传统对称结构光子晶体透射谱的特征;当中间插入光学厚度等于四分之一中心波长的双正缺陷C后,两者的单透射峰一分为二,且双负情况下两透射峰之间的距离较大;当缺陷C的光学厚度为二分之一中心波长时,双正情况下禁带中心出现单透射峰,双负情况下则出现三条透射峰;当缺陷C的光学厚度等于中心波长时,双正情况下出现三条透射峰,而双负情况下则出现五条透射峰。对称结构光子晶体的透射谱随缺陷光学厚度变化的规律,可用以设计可调性超窄带滤波器。     

一维Si/SiO_2光子晶体在近红外波段滤波特性研究

设计了一种结构为(Si/SiO_2)~ND(Si/SiO_2)~N的一维光子晶体滤波器,利用传输矩阵法,理论模拟了其在近红外波段的滤波特性。通过比较两种不同缺陷层材料Si与SiO_2发现:低折射率缺陷SiO_2的结构透射峰的峰值更高;当缺陷的厚度增加时,透射峰的半高宽和峰值能够保持稳定。对于两种缺陷材料的结构,在缺陷厚度保持不变时,随着入射角的增加,TE模式下禁带短波长处的禁带边沿蓝移量大于长波处,禁带中透射峰的峰值降低且半高宽减小;TM模式下禁带长波长处的禁带边沿蓝移量大于短波处,半高宽增加,且入射角度从0°到60°变化时可有效增加透射峰高度。本研究分析缺陷层厚度和入射角度两种调谐方式对于近红外波段滤波性能的影响,为近红外波段光子晶体滤波器的应用提供了理论依据。     

具有缺陷态的二维光子晶体通讯波长滤波器的结构优化设计

采用平面波展开法分别模拟设计了理想和带有点缺陷与线缺陷的二维光子晶体能带结构;进一步构建具有点缺陷和线缺陷联合结构滤波器,通过改变介质折射率、介质柱半径和背景材料折射率,使点缺陷的滤波中心波长处于光子晶体禁带中的1.31和1.55μm两个主要通迅波长.同时,采用时域有限差分算法模拟滤波器的传播和滤波频谱特性,结果显示,该结构滤波器的滤波频谱中心波长刚好分别位于1.31和1.55μm,透射峰尖锐,显现出优良的滤波特性.     

二维硅基蜂窝状空气环型光子晶体禁带特性研究

构建了二维硅基蜂窝状空气环型光子晶体.采用平面波展开方法,得到了硅基蜂窝状空气环型光子晶体的能带结构,分析了空气孔半径及介质柱半径对完全禁带宽度的影响,发现硅基空气环型光子晶体结构的完全禁带宽度值很小,无法优于传统硅基空气孔型光子晶体结构.为了有效增大硅基蜂窝状空气环型光子晶体的完全禁带,本文将内芯介质柱替换为高折射率或各向异性的材料.当引入高折射率的介质柱材料时,空气环型光子晶体完全禁带宽度明显增大,最大可达15.59%;进一步引入各向异性材料Te作为介质柱材料,蜂窝状空气环型光子晶体明显优于传统蜂窝状空气孔型光子晶体,最大完全禁带宽度值达到16.889%.     

六边形散射元构建的二维光子晶体禁带特性研究

基于对光子晶体禁带的研究,设计了六边形散射元,构建了六边形光子晶体结构模型。利用平面波展开法,对六边形散射元的光子晶体禁带特性进行了分析。分别在TE模式和TM模式下计算了光子晶体的禁带宽度,通过改变散射元的结构参数和旋转角度,获得了最大相对禁带宽度。     

一维三元光子晶体的偏振特性

利用特征矩阵法讨论了一维三元光子晶体的偏振特性。结果表明,在一级禁带内,光子晶体对S偏振光形成了全方位光子带隙;对P偏振光,禁带宽度随入射角的增大而减小,且只在禁带短波区域形成全方位光子带隙,而在禁带长波区域,随着入射角的变化将出现透射峰,存在明显的"广义布儒斯特角",各波长对应的"广义布儒斯特角"随波长增大而减小,透射峰半角宽度增大,透射峰个数逐渐增加。     

光子晶体光纤光栅谐振波长的特性研究

应用多极法理论和传输矩阵法,对基于包层空气孔为正六边形对称结构的光子晶体光纤的布喇格光栅特性进行了计算和仿真。对比研究了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布喇格光栅反射谱之间的差异,重点研究了光子晶体光纤的结构参数变化(间隙孔半径、层数)与光子晶体光纤光栅的谐振峰变化规律。当光子晶体光纤的间隙孔半径增大时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现蓝移;当光子晶体光纤的间隙孔径不变而层数增加时,光子晶体光纤光栅的谐振波长出现红移。     

含左手介质双缺陷态的一维光子晶体窄带双频滤波器

提出了一种具有双缺陷态特性的一维光子晶体结构,用左手介质作缺陷态材料,并且用光学传输矩阵法分析了这种结构的传输特性.仿真结果表明,在这种光子晶体的光子禁带上会出现两个极窄的穿透窗口,而禁带内的频段几乎无法通过,通过改变晶体的膜层周期数,该窗口频段的透射率最高可以超过98.6%.同时,该结构的透射率可以通过改变介质层周期数和负折射率值大小而调节.这种结构的光子晶体非常适合制作双频段的超窄带滤波器,并且有望在未来高速光通讯中得到应用.     

光子晶体势阱中的共振透射模

引入简单镜像对称的一维二元光子晶体结构模型,应用传输矩阵方法研究在该镜像对称的一维二元光子晶体结构模型两端加入高折射率介质时的光子带隙结构.结果表明,加入较高的折射率介质时,光子晶体原来的带隙结构中存在的窄的共振透射峰变宽,且随着势垒的不断增加,分裂的共振峰变得越来越细,中间的共振峰透过率一直保持在100%,而两侧的峰高则有所降低;当两端加入的介质折射率进一步提高,这时共振透射峰分裂为3个窄的共振透射峰,同时还在其他波长处出现多个窄的透射峰.这种带隙结构可以用来设计优异理想窄带滤波器.     

不同形状介质柱体结构二维三角晶格光子晶体的完全带隙

利用时域有限差分方法,理论研究了二维三角晶格光子晶体的完全带隙.通过计算由各种形状锗柱排列在空气中组成的三角晶格光子晶体的能带结构,发现对于空心三角形锗柱排列在空气中组成的晶体结构,存在一个宽度为0.098(2πc/a)的完全禁带,该宽度达到了禁带中心频率的19.8%.并且系统讨论了不同结构参数对于完全禁带宽度的影响.     

基于扇面散射元的光子晶体禁带研究

基于对光子晶体禁带影响因素的研究,设计了扇面这种新型的散射元。利用平面波展开法,在0.1THz的工作频率下,采用二维六边形晶格结构,对这种新型散射元光子晶体的禁带特性进行模拟计算。对介质柱型和空气孔型两种晶体结构,分别分析了横向电场(TE)模式和横向磁场(TM)模式的绝对禁带宽度和相对禁带宽度随散射元结构参数变化的关系,依据相对禁带宽度,找到最优化的模型。     

含有缺陷的对称性光子晶体的完全透射和滤波

计算了包含单个和多个缺陷并保持对称性结构的一维光子晶体的透射谱.在光子晶体的禁带中得到了一个和多个完全透射峰.调整多个缺陷间的相对距离,相应透射峰间的距离也跟着发生变化,但其完全透射性保持不变.通过选择合适的材料和调整多个缺陷间的距离,可以在光子晶体的禁带中得到一个近完全透射带.     

一维掺杂光子晶体的带隙结构及特征的研究

基于传输矩阵法,数值模研究了光子晶体带隙特征与光子晶体结构参量的关系。研究表明:一维光子晶体的带隙是由光子晶体结构决定的,单个基本周期结构的光子晶体不具有带隙结构,随着周期数的增加,光子带隙结构逐渐形成,禁带中心无导带;当掺杂时,禁带中心位置出现一个极窄的导带,并且导带深度随着杂质层折射率的增大而逐渐变浅,一维光子晶体的这种特性可应用于滤波器件和光学谐振腔的设计。     

一维光子晶体的禁带特性

利用传输矩阵法计算并分析了垂直入射下光子晶体的禁带特性. 给出一个实际需要的禁带范围设计方法. 通过调节两个介质折射率和厚度可控制禁带范围, 并探讨了当两种介质的光学厚度均为1/4中心波长时, 光子晶体透射谱与中心波长、 两种介质折射率比值等的变化规律. 