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     

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。     

平面光波导与阵列光纤耦合分析

根据光波导理论,论述平面光波导与阵列光纤对准耦合原理.基于光束传播法,分析平面光波导与阵列光纤对准耦合过程中对准偏差(横向位错、纵向间距和轴向角度)与耦合损耗之间的关系,对对准偏差的光学容差也进行分析.研究结果表明:平面光波导与阵列光纤耦合损耗对横向位错相当敏感,轴向角度偏差对耦合损耗的影响也较大,轴向间距的影响则要小得多;若以0.15 dB的附加损耗考察,平面光波导与阵列光纤横向位错、纵向间距、轴向角度的光学容差分别为1 μm,16μm和0.65°;所得仿真结果与理论计算结果基本吻合,说明应用光束传播法分析平面光波导与阵列光纤对准耦合是有效的.     

有限长金属纳米线调控纳米线波导的传输特性研究

基于有限元方法,通过改变有限长金属纳米线的长度、半径、介质有效折射率以及有限长金属纳米线和波导之间的距离,研究了有限长金属纳米线对纳米线波导传输特性的调控效果。结果表明:沿有限长金属纳米线长度方向,表面等离极化激元在两金属纳米线耦合区域内形成共振。随着有限长金属纳米线长度的增加,透射率逐渐减小,并呈周期性变化。随着金属纳米线半径和介质衬底有效折射率的增大,复合波导的透射率均相应增大。透射率与两根纳米线间距紧密相关,当金属纳米线取不同半径值,两根纳米线间距为20nm左右时透射率均达到最小值;当两根金属纳米线间距较大时,透射率不再明显变化。     

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.     

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.     

基于MIM波导缺陷谐振环结构的传输特性研究

应用时域有限差分方法(FDTD)研究了基于金属-介质-金属(MIM)波导缺陷谐振环结构的传输特性.该结构由一通道波导和位于通道上方的缺陷谐振环组成,与无缺陷谐振腔结构相比,缺陷谐振环结构破坏了环形腔原有的共振模式,从而呈现出新颖的滤波特性.当缺陷尺寸发生改变时,谐振环有效长度发生变化,通过调整缺陷的尺寸,可以有效调节滤波波长,其数值计算值与传输线理论值基本吻合.此外,通道波导与谐振环间的耦合强度在一定程度上依赖于缺陷的位置,因此通过调节缺陷的位置可以有效控制滤波强度.与其他滤波器相比,此结构在不改变结构总尺寸的情况下,可调节滤波波长,实现了更宽频段的滤波,并有效调节其透射率.当缺陷尺寸设定为某一特定值时,能实现模式间的简并,提高滤波性能.     

函数缺陷对波导带隙结构的调制

在二维函数光子晶体研究的基础上,进一步研究波导中加入两排函数线缺陷时,通过调节函数线缺陷的介质柱介电常数参数值,可实现波导带隙结构的调制情况.本文选取线缺陷介质柱介电常数函数形式为εr(r)=kr+b,其中,k为函数系数,b为参数.上述参量的变化,可由电光效应实现,即通过调节外加电场强度和电场分布来实现.当改变函数线缺陷介质柱介电常数参数k和b的值时,波导的带隙位置、带隙数目以及电场分布都会发生改变.因此,在波导中加入两排函数线缺陷就可实现带隙结构的调制,得到所需要的带隙结构和电场分布.这些结论可以为光学器件的设计提供理论基础和新的设计思路.     

2D-3D异质结结构中超短耦合长度的研究

采用时域有限差分法分析、模拟和设计了2D-3D异质结结构中的定向耦合器，并且通过非平面和平面的优化设计实现了小于2a（a为晶格常数）的超短耦合长度。研究结果表明，当位于耦合区域的晶格常数由1.25a-1.25a-1.25a-1.25a变为1.5a-2.0a-1.5a时，获得的耦合长度小于3a；同时将位于输入波导和耦合波导之间介质柱的宽度减小到0.18a，可获得小于2a的超短耦合长度。该耦合长度对于实现密度集成电路的小型化非常重要。