第31卷 第1期光 学 学 报Vo l.31,N o.12011年1月
ACTA O PT ICA SINICA
January,2011
光子晶体波导慢光特性研究
曲连杰 杨跃德 黄永箴
(中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点联合实验室,北京100083)
摘要 基于二维三角晶格空气孔光子晶体,通过在光子晶体单线缺陷波导两侧引入不同的耦合腔,设计了慢光特性较好的波导结构。利用平面波展开法计算波导的色散曲线,并分析慢光模式的群速度和群速度色散特性。耦合腔采用单缺陷腔时,适当调节波导宽度可以获得在零色散点群速度为0.0128c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为409GH z 。耦合腔采用长轴与波导方向呈60 的双缺陷腔,在超原胞大小为4a 9b(a,b 分别为光子晶体在x ,y 方向的周期)时,通过调整波导宽度,可以获得在零色散点群速度为0.0070c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为226GH z 。进一步增大沿波导方向上双缺陷腔之间的距离,可以获得在零色散点群速度为0.0011c 的慢光模式。同时可以根据具体情况选择合适的波导宽度参数,设计满足不同要求的慢光波导结构。关键词 光通信;光子晶体波导;平面波展开法;慢光;零色散点
中图分类号 T N929.11 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 201131.0113002
Slow Light Characteristics of Photonic Crystal Waveguides
Qu Lianjie Yang Yuede Huang Yongzhen
(St a te K ey La bor a tor y on In tegr a ted Optoelect r onics ,Instit ute of Sem icondu ct or s ,
Chinese Aca dem y of S ciences ,Beijin g 100083,China )
Ab stract Based on two dimensional triangular lattic e air hole photonic crysta l,a kind of waveguide structure with good slow light charac teristics is proposed by induc ing coupled cavity on both sides of the photonic crysta l single line defected waveguides.The energy band structure,group velocity and group veloc ity dispersion characteristics of slow light mode are analyzed by plane wave expansion method.For the waveguide structure using single defec t cavity as c oupled cavity,the group velocity of 0.0128c at the zero dispersion point with the ba ndwidth of 409GHz in the 1.55 m wavelength could be obtained by appropriately adjusting the waveguide width.As for the waveguide structure using two defect cavity as coupled cavit y with the super cell of 4a 9b ,the group velocity c an reach 0.0070c at the zero dispersion point with the bandwidth of 226GHz in the 1.55 m wavelength by adjusting the waveguide width.To further increase the distance between the two defec t cavities,the slow light m ode with group velocity of 0.0011c at the zero dispersion point could be obtained.Besides,the slow light waveguide can meet different requirements by selecting the appropriate width of waveguide.Key words optica l communications;photonic crystal waveguides;plane wave expansion method;slow light;zero dispersion point
OCIS codes 130.5296;060.4510
收稿日期:2010 01 01;收到修改稿日期:2010 04 20
基金项目:国家973计划(2006CB302804)和国家自然科学基金(60777028,60723002,60838003)资助课题。作者简介:曲连杰(1982!),男,硕士研究生,主要从事光子晶体方面的研究。E mail:qulianjie@https://www.doczj.com/doc/1b9590191.html,
导师简介:黄永箴(1963!),男,博士,研究员,主要从事半导体光电子器件方面的研究。E mail:yzhuang @https://www.doczj.com/doc/1b9590191.html, (通信联系人)
1 引 言
光子晶体有很多独特的性质,可以应用于各种光学器件
[1,2]
。慢光效应就是它的一个很重要的特
性,可以实现大的时间延迟
[3,4]
、增加相移
[5]
、大色散
或者零色散[6,7]
以及增强非线性效应[8,9]
等作用,在
光学延时线、全光缓存和全光可调谐开关等领域引
光 学 学 报
起了科研人员的极大兴趣。除了采用反常色散的材料来实现材料慢光外,也可以采用微环耦合光学延时[10]、方形耦合腔[11]、半导体波导[12]和光子晶体[13~15]等实现结构慢光。其中光子晶体,理论上在带边可以实现群速度为0的慢光,Vlasov等[16]在Si 光子晶体波导中实现了群速度小于c/300的慢光, Ger sen等[17]在实空间中观察到了群速度小于c/1000的慢光传播,但是在带边随着群速度的降低,带宽变得很窄,对应着高色散。为了增加带宽,人们研究了各种光子晶体零色散结构[7,18~20],但这往往以牺牲群速度为代价,导致群速度相对较大,慢光效应不显著。目前对光子晶体零色散慢光的研究,采用最多的是基于三角晶格平板光子晶体单线缺陷波导结构,通过引入辅助波导可以在零色散点得到群速度c/118左右的慢光[19],也可以对波导两侧的空气孔位置进行调整,获得群折射率为130,对应1.55 m波长处带宽3.9nm的慢光模式[20]。对于光子晶体平板实现慢光的另两种结构-光子晶体条形介质波导和光子晶体耦合腔波导,研究比较少,其中光子晶体条形波导结构的慢光,群折射率可以超过100[21];对于光子晶体耦合腔波导有更优越的慢光特性,在2.6nm波长范围内可以实现群折射率105?20的慢光[22]。在只考虑减少群速度的情况下,利用三角晶格介质柱光子晶体耦合腔波导可以实现群速度5.8910-4c的慢光[23]。
本文以二维三角晶格空气孔光子晶体为基础,通过在光子晶体单线缺陷波导两侧引入缺陷腔作为耦合腔,利用平面波展开法理论分析了两种缺陷腔对应光子晶体波导的能带结构,对这两种波导结构的慢光模式在零色散点处的群速度以及1.55 m 波长处的带宽特性进行分析。
2 光子晶体单线缺陷波导
本文提出的光子晶体波导基于光子晶体单线缺陷波导,通过在波导两侧引入缺陷腔作为耦合腔的一种波导结构。相对于普通的光子晶体耦合腔波导,该慢光波导由于基于光子晶体单线缺陷波导,因此期望具有较高的透射率。
对于耦合腔的种类,在此采用单缺陷腔和双缺陷腔。单缺陷腔是在完整光子晶体中去除一个空气孔形成的,而对于双缺陷腔是去除两个空气孔形成的。双缺陷腔的结构有两种,一种是腔的长轴沿着波导方向,另一种是长轴与波导的方向呈60 角,如图1所示。虚线包围的区域分别对应这几种结构的光子晶体波导的超原胞结构图。介质材料为Si,相应的折射率为3.5,对应的空气孔半径r=0.3a,其中a为光子晶体晶格周期。完整的光子晶体,对于T E(磁场方向平行于空气孔)模式存在禁带0.20506(a/ )~0.27206(a/ )。对于单缺陷腔,其谐振频率位于0.23826(a/ )。长轴方向平行于波导的单个双缺陷腔的谐振频率有4个,分别位于0.22232(a/ ),0.23805(a/ ),0.23840(a/ )和0.25660(a/ )。对于长轴与波导呈60 角的双缺陷腔的谐振频率位于0.22225(a/ ),0.23805(a/ ), 0.2383(a/ )和0.25668(a/ )。可以看出这两种双
缺陷腔的谐振频率相近。
图1单、双缺陷腔光子晶体波导超原胞结构图Fig.1Super cell of photo nic cr ystal waveg uides w ith single defect cavit y and tw o defect cav ity
对于光子晶体单线缺陷波导,能带的带边位于归一化频率0.21176(a/ )附近,因此无论采用单缺陷腔或者双缺陷腔作为耦合腔,腔的谐振频率都高于光子晶体单线缺陷波导的带边频率,意味着腔的谐振模式与光子晶体单线缺陷波导的模式耦合非常严重,为了使得光子晶体单线缺陷波导模式带边向高频移动,考虑通过在y方向移动波导两侧相邻空气孔位置的方法来调节光子晶体单线缺陷波导模式的位置。如图1所示波导宽度为W1,定义m=W1/b,其中b为光子晶体在y方向上的周期。通过改变波导宽度的大小,可以实现对波导内模式的位置和属性的调节。
图2为不同m值下的光子晶体单线缺陷波导的能带结构图。随着m值的减少,禁带内的能带向高频方向移动,当m=0.9时,带边位于归一化频率0.22017(a/ ),当m=0.8时,带边位于归一化频率0.22980(a/ )。因此,可以得到当m位于0.7~0.8之间的某个值时,带边的频率高于单缺陷腔自身的谐振频率。m位于0.8~0.9之间的某个值时,带边的频率开始高于双缺陷腔自身的谐振频率。同样m 值范围的确定为后面研究不同结构的光子晶体波导奠定了基础。
曲连杰等:
光子晶体波导慢光特性研究
图2不同波导宽度下的光子晶体单线缺陷
波导能带结构图
Fig.2Ener g y band structur e of pho tonic cry stal sing le
line defect w aveg uides under different w idt h of w aveg uides
3 单缺陷耦合腔光子晶体波导
单缺陷耦合腔光子晶体波导超原胞结构如图1所示,大小为M 1a N b,波导宽度m 的取值,根据上面的分析,取为0.7,0.75,0.8。利用平面波展开法
对不同的超原胞在不同波导宽度下的能带结构进行计算,通过分析发现当超原胞大小为2a 9b 时,改变波导宽度m 的大小,禁带内的能带结构较复杂,没有慢光模式较好的单模能带出现,可能是由于沿着波导方向相邻的两个单缺陷腔之间相互耦合造成的。为此,取超原胞大小为3a 9b,计算不同波导宽度下单缺陷耦合腔光子晶体波导的能带特性,通过分析发现对应的禁带内的模式数目明显减少,但模式的慢光特性仍然不够理想。继续增大沿波导方向相邻单缺陷腔之间的距离,计算超原胞为4a 9b 的光子晶体波导的能带结构。
图3为波导宽度m =0.70,0.75,0.8时对应的
单缺陷耦合腔光子晶体波导的能带结构图,超原胞大小为4a 9b 。随着m 值的增大,能带向高频方向移动。当m =0.7和m =0.75时,对应的能带为单模的,而当m =0.8时,能带之间交叉耦合,没有单模能带出现。从该模式所处的位置来判断,不是单缺陷腔的谐振模式,而是通过波导宽度的调节,禁带下方的能带上移而形成的一个模式。采用群速度和群速度色散系数以及带宽作为衡量慢光特性的两个主
要参数。对于群速度v g =c/n g =c (d k/d )-1,通过计算对应能带的斜率,可以得到该模式的群速度,群速度色散系数!GVD =(?2k/? /? )[24]。带宽,定义为群速度改变10%所对应的频率范围[19]
。
图3超原胞4a 9b 的能带结构图
Fig.3Energ y band structure of the super cell with 4a 9b
图4为波导宽度m =0.7和m =0.75时对应的单缺陷耦合腔光子晶体波导的群速度曲线和色散曲线,在m =0.7时,能带零色散点位于归一化频率0.21437(a/ )附近,对应的群速度为0.0137c,在1.55 m 波长处的带宽为416GH z ,而当m =0.75时,能带零色散点位于归一化频率0.21705(a/ )附近,相应的群速度为0.0128c, 1.55 m 处的带宽为409GH z
。
图4不同波导宽度下的单缺陷耦合腔光子晶体波导。(a)群速度曲线,(b)群速度色散曲线F ig.4Sing le defect co upled cavit y pho tonic cry stal w aveg uides under different w idt h o f wav eg uides.
(a)g roup velocity ,(b)gr oup v elo city dispersion
光 学 学 报
4 双缺陷耦合腔光子晶体波导
双缺陷腔作为耦合腔的光子晶体波导,一种结构是双缺陷腔长轴平行于波导方向,通过类似于对单缺陷耦合腔光子晶体波导的分析,禁带内没有慢光特性好的模式出现。为此,分析双缺陷腔长轴与波导方向呈60 角且对称分布在光子晶体单线缺陷波导两侧的波导结构的慢光特性。超原胞如图1中右侧黑色虚线边框包围区域,大小为M 3a Nb 。改变波导宽度,根据前面的分析,波导宽度m 应该在0.8~0.9之间。对于超原胞为3a 9b 双缺陷耦合腔光子晶体波导,改变m 值,没有慢光性质好的单模能带出现,可能是x 方向相邻的双缺陷腔之间的
耦合太强造成的。为了减少相邻缺陷腔之间的耦合,增大x 方向缺陷腔之间距离,采用超原胞为4a 9b 和5a 9b 的光子晶体波导结构,m 值取为0.8,
0.85,0.9。
图5(a)是超原胞大小为4a 9b 的双缺陷耦合腔光子晶体波导的能带结构,在m =0.8和m =0.85时,各有两个慢光性质较好的单模能带出现,用H 和L 区分相同波导参数下归一化频率较高和较低的慢光模式。对于超原胞为5a 9b 的光子晶体波导结构,在m =0.8和m =0.85时,同样各有两个慢光性质较好的单模能带出现,而对于m =0.9只有一个慢光性质较好的单模能带出现,如图5(b)
所示。
图5超原胞为(a)4a 9b 和(b)5a 9b 的能带结构图
Fig.5Ener gy band st ruct ur e of the super cell w ith (a)4a 9b and (b)5a 9b
接下来分别对上面提到的几条慢光性质较好的单模能带进行分析。通过计算它们的群速度及群速
度色散来比较它们在零色散点处的慢光特性。
图6(a)和(b)是根据图5(a)计算的超原胞大小为4a 9b 的双缺陷耦合腔光子晶体波导的群速度曲线和群速度色散曲线,当m =0.80(H )时,在零色散点[归一化频率为0.21695(a/ )]的群速度达到0.0070c ,对应在1.55 m 波长处的带宽为226GH z,比较适合应用于实际通讯中。其他几条能带也有着比较优越的慢光特性,当m =0.80(L)时,在零色散点[归一化频率0.21138(a/ )]群速度为0.0088c ,在1.55 m 波长处的带宽为245GH z 。在零色散点处群速度大于0.01c 的只有当m =0.85(H )时,群速度为0.0146c ,1.55 m 波长处的带宽为392GH z 。图6(c)和(d)是根据图5(b)计算的超原胞大小5a 9b 的双缺陷耦合腔光子晶体波导的群速度曲线和群速度色散曲线。波导宽度m 分别为0.80和0.85,对于所研究的4条能带,在零色散点的群速度都小于0.01c 。对于在零色散点位置相对群速度较大的波导结构,波导宽度m =0.85(H ),在零色散点处[归一化频率为0.21685(a/ )]的群速度为0.0029c ,相应的在
1.55 m 波长处的带宽为31GHz 左右。对于波导宽度m =0.90(L),相对于其他宽度的波导,在零色散点
群速度有最小值0.0011c ,对应的带宽由于本文计算的精度限制,粗略估计在 1.55 m 波长处为13.7GH z 。在通讯应用中该带宽不能满足实际要求,图中没有给出其群速度和群速度色散曲线,如果仅仅考虑减少群速度,该结果可以接受。因此,在实际的应用中,从带宽和群速度两个方面综合考虑,超原胞为4a 9b 的波导结构更有优势。
5 结 论
在二维三角晶格空气孔光子晶体单线缺陷波导基础上,通过在波导两侧引入耦合腔,得到慢光特性较好的波导结构。对于耦合腔采用单缺陷腔的波导结构,适当调节波导宽度可以获得在零色散点处群速度为0.0128c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为409GH z 。而对于耦合腔采用长轴与波导传播方向呈60 角的双缺陷腔,在超原胞为4a 9b 时,通过调整波导宽度,可以获得在零色散点处群速度为0.0070c 的慢光模式,对应在1.55 m 波长处的带宽为226GHz 。进一步增大沿波导方向缺陷腔之间的距
曲连杰等:
光子晶体波导慢光特性研究
图6超原胞为4a 9b 的波导结构的(a)群速度曲线,(b)群速度色散曲线;超原胞为5a 9b 的波导结构(c)群速度曲线,
(d)群速度色散曲线
Fig.6(a)Group velocity and (b)group velocity dispersion of waveg uids with 4a 9b super cell,(c)gr oup velocity and
(d)group velocity dispersion of waveguids with 5a 9b super cell
离,可以获得在零色散点处群速度为0.0011c 的慢光模式。可以根据具体情况选择合适的参数,应用于光学延时线和光存储等慢光器件中。
参
考
文献
1Wang Y. F.,Qiu Y.S.,Chen X.Y.et al..Two dimensional photonic crystal sensor based on M ichelson interferometer [J].Acta Op tica Sinica,2009,29(4):1083~1087
王宇飞,邱怡申,陈曦曜等.基于迈克耳孙干涉仪的二维光子晶体传感器[J].光学学报,2009,29(4):1083~1087
2Chen S.W.,Zhu G.X.,Yu T.B.et al..1 3beam splitter based on photonic crystal w aveguides directional coupler [J].Acta Optica Sinica,2009,29(10):2898~2904
陈淑文,朱桂新,于天宝等.光子晶体波导定向耦合型1 3光分束器[J].光学学报,2009,29(10):2898~2904
3Khurgin J . B..Opti cal buffers based on slow light in electromagnetically induced transparent media and coupled resonator structures:comparative analysis [J].J.O p t.Soc.Am.B,2005,22(5):1062~1074
4Baba T.,Kawaaski T.,Sasaki H.e t https://www.doczj.com/doc/1b9590191.html,rge delay bandwidth product and tuning of s low light pulse in photonic crystal coupled waveguide[J].O p t.Exp ress ,2008,16(12):9245~9253
5Bros i J.M.,Koos C.,Andreani L. C.e t al ..H igh speed low voltage electro optic modulator w ith a polymer infiltrated silicon photonic crystal waveguide [J ].O pt.Ex press,2008,16(6):4177~4191
6Kubo S.,M ori D.,Baba T..Low group velocity and low dispersion slow li ght in photonic crystal w avegui des [J].O p t.Lett.,2007,32(20):2981~2983
7Li J.,White T.P.,Faolain L.O.e t al..Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides [J ].O p t.Exp ress ,2008,16(6):6227~6232
8M onat C.,Corcoran B.,Ebnali H eidari M.e t al..Slow light enhancement of nonlinear effec ts in silicon engineered photonic crystal
w aveguides[J].Opt.Ex press,2009,17(4):2944~29539Solj a #ci c 'M.,Joannopoulos J. D..Enhancement of nonli near effec ts using photonic crystals[J].Nature M aterials,2004,3:211~21910Pornsuw ancharoen N.,Yupapi n P.P..Generalized fast,slow,stop,and store light optically withi n a nanoring resonator [J ].Microw.O p t.Technol.L ett.,2009,51(4):899~902
11M ookherjea S.,Park J.S.,Yang S.H.et al..Localization in silicon nanophotonic slow light waveguides [J ].Nature Photonics,2008,2:90~93
12M #rk J., hman F.,Poel M.V. D.e t al..Slow and fast light:controlling the speed of light using semiconductor waveguides [J].Laser &P hoton.Rev.,2009,3(1~2):30~44
13Baba T..Slow light i n photonic crys tals [J].Nature Photonic s,2008,2:465~473
14Wang X.Y.,Tian H.P.,Li C.H.e t al..Tunable slow light by electro eptic effect i n polymer photonic crystal w avegui de [J ].Acta Optica S inica ,2009,29(5):1374~1378
王雪莹,田慧平,李长红等.聚合物光子晶体波导中慢光传输的电光动态调制[J].光学学报,2009,29(5):1374~1378
15Zhang M.,Pan W.,Yan L.S.et al..Research of slow light in the two dimensional triangular rods photonic crystal li ne defected w aveguide[J].C hine se https://www.doczj.com/doc/1b9590191.html,sers,2009,36(4):857~861
张 曼,潘 炜,闫连山等.二维三角晶格介质柱光子晶体线缺陷波导慢光研究[J].中国激光,2009,36(4):857~861
16Vlasov Y. A.,O ?Boyle M.,Hamann H.F.et al..Active control of slow light on a chip with photoni c crystal w avegui des [J].Natur e,2005,438:65~69
17Gersen H.,Karle T.J.,Engelen R.J.P.e t al..Real space observation of ultraslow light in photonic crystal waveguides [J ].Phys.Rev.Lett.,2005,94(7):073903
18Petrov A.Y.,Eich M..Zero dispers ion at s mall group velocities in photonic crystal w aveguides[J].App l.Phys.Lett.,2004,85(21):4866~4868
19Mao X.Y.,Zhang G.Y.,H uang Y. D.e t al..Zero dispersion slow light w ith wide bandw i dth in photoni c crystal coupled w aveguides [J].Chin.Phys.Lett.,2008,25(12):4311~4313
光 学 学 报
20Leng F.C.,Liang W.Y.,Liu B.e t al..Wideband slow li ght and dispersion control in oblique lattice photonic crystal w aveguides[J].
O p t.Expre ss,2010,18(6):5707~5712
21Falco A.D.,O?Faolain L.,Krauss T. F..Di spersion control and slow li ght in slotted photonic crystal waveguides[J].Ap pl.Phys.
Lett.,2008,92(8):083501
22J gersk J.,Thomas N.L.,Zabelin V.et al..Experimental observation of slow mode dispersi on i n photonic crystal coupled c avity
w aveguides[J].Opt.Lett.,2009,34(3):359~361
23Lu H.,Tian H.P.,Li C.H.et al..Research on new type of slow light structure based on2D photonic crystal coupled cavity w aveguide [J].Acta Physica Sinica,2009,58(3):2049~2055
鲁 辉,田慧平,李长红等.基于二维光子晶体耦合腔波导的新型慢光结构研究[J].物理学报,2009,58(3):2049~2055
24Kraus s T. F..Slow light in photonic crystal w aveguides[J].J.
Phys.D:Ap p l.Phys.,2007,40:2666~2670
光子晶体及其应用的研究 (程立锋物理电子学) 摘要：光子晶体(PbmDftic Crystal)是一种新型的人工材料，其最显著的特点就是具有光子禁带(Photonic B锄d．G ￡lp，简称PBG)，频率落在光子禁带内的电磁波是禁止传播的，因而具有光子带隙的周期性奔电结构就称为光子晶体。近几年，光子晶体被广泛地应用于微波、毫米波的电路设计中。的滤波特性，加以优化，则可以实现带通滤波器。迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使光子晶体信息处理技术的"全光子化"和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。 关键词：光子晶体；算法；应用；
1光子晶体简介 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路。推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。半导体的工作载体是电子，因此半导体的研究围绕着怎样利用和控制电子的特性。但近年来，电子器件的进一步小型化以及在减小能耗下提高运行速度变得越来越困难。人们感到了电子产业发展的极限，转而把目光投向了光子。与电子相比，以光子作为信息和能量的载体具有优越性。光子是以光速运动的微观粒子，速度快；它的静止质量为零，彼此间不存在相互作用，即使光线交汇时也不存在相互干扰：它还有电子所不具备的频率和偏振等特征。电子能带和能隙结构是电子作为一种波的形式在凝聚态物质中传播的结构，而光子和电子一样具有波动性，那么是否存在这样一种材料，光子作为一种波的形式在其中传播也会产生光子能带和带隙。近来大量的理论和实验表明确实存在这样一种材料，其典型的结构是一个折射率周期变化的三维物体，它的周期为光的波长，折射率变化比较大时，会出现类似于电子情况的光子能带和带隙。这种具有光子能带和带隙的材料被称为光子晶体。 在半导体材料中，电子在晶体的周期势场中传播时，由于电子波会受到周期势场的布拉格散射而形成能带结构，带与带之间可能存在
一、绪论 1.1光子晶体的基本概念 光子晶体是由不同介电常数的介质材料在空间呈周期排布的结构，当电磁波受到调制而形成类似于电子的能带结构，这种能带结构称为光子能带。在合适的晶格常数和介电常数比的条件下，类似于电子能带隙，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域，将此频率区域称为光子带隙或光子禁带。人们又将光子晶体称为光子带隙材料。 与一般的电子晶体类似，光子晶体也有一维、二维、三维之分。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质块交替堆积形成的结构。实际上，一维光子晶体已经被广泛应用，如法布里-珀罗腔光学多层的增反/透膜等。二维光子晶体是介电常数在二维空间呈周期性排列的结构。 光子晶体中存在光子禁带的物理机理是基于固体物理的布洛赫理论。 1.2光子带隙 光子在光子晶体中的行为类似于电子在半导体晶体中的行为，通过独特的光子禁带可改变光的行为。研究表明，光子带隙有完全光子带隙与不完全光子带隙的区分。所谓完全光子带隙，是指在一定频率范围内，无论其偏振方向及传播方向如何，光都禁止传播，或者说光在整个空间的所有传播方向上都有能隙，且每个方向上的能隙能互相重叠。所谓不完全光子带隙，则是相应于空间各方向上的能隙并不能完全重叠，或只在特定的方向上有能低折射率的介质在晶格中所占比率以及它们在空间的排列结构。总的来说，折射率差别越大带隙越大，能够达到的效率也就越高。 二、光子晶体的晶体结构和能带结构特性研究 2.1一维光子晶体的传输矩阵法 设一维光子晶体由两种材料周期性交替排列构成，通常称一维二元光子晶体，类似固体能带理论中的Kroning-penney模型，在空气中由A、B薄层交替构成一维人工周期性结构材料，其中A材料的折射率是na，厚度为ha，B材料的
深圳大学研究生课程论文题目光子晶体及其器件的研究进展成绩 专业 课程名称、代码 年级姓名 学号时间2016年12月 任课教师
子晶体及其器件的研究进展 摘要：光子晶体是一种具有光子带隙的新型材料，通过设计可以人为调控经典波的传输。由 于光子晶体具有很多新颖的特性，使其成为微纳光子学和量子光学的重要研究领域。随着微加工技术的进步和理论的深入研究，光子晶体在信息光学以及多功能传感器等多个学科中也得到了广泛应用。本文介绍了光子晶体及其特征，概述了光子晶体器件的设计方法和加工制作流程，论述现阶段发展的几种光子晶体器件，并对光子晶体器件的发展趋势做了展望。 关键词：光子晶体；光子晶体的应用；发展趋势 Research progress of photonic crystals and devices Abstract：Photonic crystal is a new material with photonic band gap, which can regulate the transmission of classical wave artificially. Because it has many novel properties of photonic crystal, which is becoming an important research field of micro nano Photonics and quantum optics. With the progress of micro machining technology and theoretical research, photonic crystals have been widely used in many fields such as information optics and multifunction sensors. This paper introduces the photonic crystals and its characteristics, summarizes the design method and process of the photonic crystal devices in the production process, discusses several kinds of photonic crystal devices at this stage of development, and the development trend of photonic crystal devices is prospected. Key words：Photonic crystal; application of photonic crystal; development trend 1引言 在过去的半个世纪里，随着人们对电子在物质尤其是半导体中运动规律的研究，使得对电子控制能力的增加，从而产生了各种微电子器件以及大规模的集成电路，推动了电子工业和现代信息产业的迅猛发展，半导体技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。目前半导体技术正向着高速化和高集成化方向的发展，不可避免地引发了一系列问题。当信息处理的频率和信号带宽越来越高时，通过金属线传输电子会带来难以克服的发热问题和带宽限制；而线宽减小到深纳米尺度时，相邻导线的量子隧穿效应成为电子器件发展的重要瓶颈。这迫使人们越来越关注光信息处理技术，并尝试用光器件来替代部分传统电子器件，以突破上述瓶颈限制。实现这一目标的关键在于如何将光子器件尺寸降低至微纳米量级，并能与微电子电路集成在同一芯片上。 目前比较有效的方法有三种：纳米线波导，表面等离子体和光子晶体。其中，光子晶体具有体积小、损耗低和功能丰富等多种优点，被认为是最有前途的光子集成材料，称为光子半导体[1]，它是1987年才提出的新概念和新材料。这种材料有一个显著的特点是它可以如人所愿地控制光子的运动。由于其独特的特性，光子晶体可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能光学器件，在光通讯上也有重要的用途，如用光子晶体器件来替代传统的电子器件，信息通讯的速度快得
光子晶体的最新研究进展 （学号：SA12231016 姓名：陈飞虎） 摘要：光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.john[1]和E.Yablonovitch[2]分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。在这二十多年的发展当中，光子晶体已在光通信技术、材料科学和激光与光电子学等方面都取得了相应的进展。本文阐述了光子晶体在各方面所取得的相应进展，并探讨光子晶体在各个领域的最新研究状况。 关键词：光子晶体研究进展 1 引言 自光子晶体这一概念提出以来，它就成为各个学科领域的科学家们关注的热点。光子晶体(Photonic crystals)材料又称为光子带隙(Photonic band gap,PBG)材料,指介电常数(折射率)周期性变化的材料。电子在固态晶体的周期性势垒下能形成电子带隙,光子晶体的周期性晶格对光的布拉格散射可以形成光子带隙, 频率处在光子带隙中的光被禁止进入光子晶体。若光子晶体中某个地方不满足周期性,即引入了缺陷,禁带中就会出现缺陷态,缺陷态具有很高的光子态密度。采用各种材料,设计不同的光子晶体结构和引入不同的缺陷类型以及缺陷组合,可以制作出功能和特性各异的微纳光子器件。因光子晶体具有光子带隙和光子局域两大优越特点，所以它在发光二极管、多功能传感器、光通讯、光开关、光子晶体激光器等现代高新技术领
域[3-4]有着广泛应用。当前所制备的光子晶体大多不可调，但对于可调制光子晶体的带隙可以调控，电介质的折射率和光子晶体的晶格常数决定了光子带隙的宽度和位置，故改变外部环境，如加电场、磁场、压力或温度等，均能对光子禁带进行调制。因此可调控的光子晶体成为各个应用领域的研究热点和方向。 2 光通信技术方向的研究进展 传统波导利用的是全内反射原理，当波导弯曲较大时，电磁波在其中的传播不再符合全反射原理，以至于弯曲损耗较大。而光子晶体波导采用的是不同方向缺陷模共振匹配原理，因而光子晶体波导不受转角限制，有着极小的弯曲损耗。理论上，当波导弯曲 90°时，传统波导会有 30％的损失，而光子晶体波导的损耗只有 2%[5]。另外，光子晶体波导的尺度可以做得很小，达到波长量级；因此，光子晶体波导不仅在光通信中有着十分重要的应用，在未来大规模光电集成、光子集成中也将具有极其重要的地位。 光子晶体光纤(PCF) 由于它的包层中二维光子晶体结构能够以从前没有的特殊方式控制纤芯中的光波,使其具有诸多优异的光学特性,如无截止单模传输特性、可调节的色散特性、高双折射特性、大模面积和高非线性特性等,因此PCF的研究一直是光通信和光电子领域科学家们关注的热点。目前，世界各国对PCF的研究如火如荼,在PCF的色散、带隙、非线性特性及应用方面均有了长足进展。PCF的
光子晶体及光子晶体光纤的研究现状与发展趋势 摘要：光子晶体光纤（PCF）由于具有传统光纤无法比拟的奇异特性，吸引了学术界和产业界的广泛关注，在短短的十年内PCF的研究取得了很大的进展。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。 关键词：光子晶体光子晶体光纤光子晶体光纤激光器 1、前言 光子晶体光纤（photoniccrystalfiber，PCF），又称多孔光纤或微结构光纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。这类光纤是由在纤芯周围沿着轴向规则排列微小空气孔构成，通过这些微小空气孔对光的约束，实现光的传导。独特的波导结构，灵活的制作方法，使得PCF与常规光纤相比具有许多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领域[1]。在光纤激光器这一领域内，PCF经专门设计可具有大模面积且保持无限单模的特性，有效地克服了常规光纤的设计缺陷。以这种具有新颖波导结构和特性的光纤作为有源掺杂的载体，并把双包层概念引入到光子晶体光纤中，将使光纤激光器的某些性能有显著改善。近年来，国内外的很多大学和科研单位都在积极开展光子晶体光纤激光器的研究工作[2]。目前，国外输出功率达到几百瓦的光子晶体光纤激光器已有报道。本文阐述了PCF的一些独特光学性质、制作技术及其理论研究方法，介绍了PCF的发展以及最新成果。 2、光子晶体光纤的导光原理 按导光机理来说，PCF可以分为两类：折射率导光机理和光子能隙导光机理。 2.1折射率导光机理 周期性缺陷的纤芯折射率（石英玻璃）和周期性包层折射率（空气）之间有一定差别，从而使光能够在纤芯中传播，这种结构的PCF导光机理依然是全内反射，但与常规G.652光纤有所不同，由于包层包含空气，所以这种机理称为改进的全内反射，这是因为空芯PCF 中的小孔尺寸比传导光的波长还小的缘故[3]。 2.2光子能隙导光机理 理论上求解光波在光子晶体中的本征方程即可导出实芯和空芯PCF的传导条件，即光子能隙导光理论。如图2所示，光纤中心为空芯，虽然空芯折射率比包层石英玻璃低，但仍能保证光不折射出去，这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时，其光子能隙范围内就能阻止相应光传播，光被限制在中心空芯之内传输。最近有研究表明，这种PCF可传输99%以上的光能，而空间光衰减极低，光纤衰减只有标准光纤的1/2～1/4[4]。 空芯PCF光子能隙传光机理具体解释为：在空芯PCF中形成周期性的缺陷是空气，传光
光子晶体的制备及应用 王文瀚12S011029 1 引言 光子晶体(Photonic Crystals, PCs)是一种人工周期介质结构，由不同折射率材料周期性地交替排列而成，这种周期介质结构最早由Bykov于1972年提出。1987年，Yablonovitch和John分别在研究抑制原子的自发辐射和光子的局域化问题中也各自独立地提出了这种结构，并在后来的研究中将其命名为光子晶体。 实际上，在自然界中就存在着光子晶体结构，如蛋白石、孔雀羽毛、蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物、以及澳洲海老鼠的毛发。蝴蝶翅膀上的鳞状覆盖物是一种周期性结构。这种周期性结构可以限制光在其中的传输，让某些波长的光通过，而让另一些波长的光完全被反射。正因为如此，才形成了蝴蝶翅膀表面绚烂的花纹和色彩。这种周期性结构与Yablonovitch和John提出的光子晶体概念是相吻合的。 当然，自然界中这样的例子只是少数，目前更多的光子晶体是由人工加工制作而成。1990 年，Ho和Chan等人第一次从理论上论证了三维金刚石结构具有完全光子禁带。1991 年，Yablonovitch团队通过从一定角度对半导体介质进行钻孔，首次成功制作了具有完全禁带的三维金刚石结构光子晶体，禁带频率范围为13GHz~15GHz。[1] 2 光子晶体原理 最简单的的光子晶体是由A、B两种材料在一个方向上周期交替排列形成，这种结构叫一维光子晶体，如图1(a)所示。A、B交替的空间周期a叫做光子晶体的晶格常数，这与由原子构成的普通晶体中的晶格常数相对应。普通晶体的晶格常数通常都在埃的数量级，而光子晶体的晶格常数则通常与工作波段的电磁波波长在同一个数量级。比如，在可见光波段，一般为1μm量级或更小，而在微波段，则一般为1cm 左右。根据光子晶体中介质周期分布的维数，可以把光子晶体分为一维、二维和三维光子晶体，分别如图 1 (a)、(b)、(c)所示。 (a) 一维光子晶体结构(b) 二维光子晶体结构(c) 三维光子晶体结构 图1 光子晶体结构示意图
光子晶体的制备与应用研究＊ 李会玲① 王京霞② 宋延林③ ①助理研究员,②副研究员,③研究员,中国科学院化学研究所,北京100190 ＊国家自然科学基金(50625312,U0634004,20421101) 关键词 光子晶体 胶体晶体 自组装 光学器件 光子晶体以其特殊的周期结构和可以对光子传播进行调控的特性被称为“光半导体”,被认为是未来光子工业的材料基础。光子晶体的制备和光学特性研究受到高度关注,并在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算等领域呈现广阔的应用前景。本文综述了光子晶体制备和应用研究方面近年来的主要进展。 1光子晶体简介 1987年,美国贝尔通讯研究所的Yablonovitch[1]在研究抑制自发辐射时提出“光子晶体”的概念。几乎同时,美国普林斯顿大学的John[2]在讨论光子局域时也独立地提出了这个概念。这一新的概念是与电子晶体相比较而提出的。在光子晶体中,不同介电常数的介电材料构成周期结构,介电常数在空间上的周期性将会对光子产生类似半导体的影响。由于布拉格散射,电磁波在其中传播时将会受到调制而形成能带结构,出现“光子带隙”(photonic band gap,PBG)。在光子带隙的频率范围的电磁波不能在结构中传播。这种具有光子带隙的周期性介电结构就是光子晶体(photonic crystals),或叫做光子带隙材料(photonic band gap mat erials),也有人称之为电磁晶体(electromagnetic cryst als)。随着研究的深入,人们发现了一系列光子晶体的光学性能如慢光效应[3]、超校准效应[4]、负折射现象[5]等等,这些独特的现象大大激发了科研工作者的研究热情。 2光子晶体制备 自然界中存在的光子晶体结构较少。目前,文献报道[6]自然界中存在的光子晶体结构主要有蛋白石、蝴蝶翅膀、孔雀羽毛和海鼠毛等。绝大多数光子晶体的周期性电介质结构还需要通过人为加工制备。光子晶体是在一维、二维或三维周期上高度有序排列的材料,一般所谓的光学多层膜即是一维结构的光子晶体,已被广泛地应用在光学镜片上。二维或三维的高度有序结构在光子晶体研究领域中受到广泛重视。本文主要针对二维和三维光子晶体的制备和应用进行综述。目前,光子晶体的制备方法主要包括微加工(钻孔和堆积方法)、激光全息和自组装方法等。 2.1微加工方法 微加工方法是最早报道的人工制备光子晶体的方法,具体是通过在基体材料上机械钻孔[7]、刻蚀[8,9]等方法,利用空气与基体材料的折射率差获得光子晶体。微加工方法通常采用半导体离子刻蚀技术如电子束刻蚀、激光刻蚀和化学刻蚀等制备光子晶体。这种方法由于工艺复杂,目前主要在有成熟工艺的硅(Si)和砷化镓(GaAs)基底上加工,成本昂贵,而且所制得结构层数少,质脆、性能易受环境影响,极大限制其应用。 2.2全息光刻 全息光刻技术是利用激光束干涉产生三维全息图案照射在感光树脂上,感光树脂因此产生聚合,随后通过显影除去未聚合感光树脂,留下由聚合物和空气构成的三维周期结构。Berger[10]最先证明全息光刻制备光子晶体非常简单快捷。2000年,Campbell等人[11]采用4束紫外激光进行全息干涉,在30μm厚的感光树脂上产生全息图案,这是激光全息技术在光子晶体研究中的一大进步。对于全息结构还有一些需要解决的问题,如通过全息技术得到的三维光子晶体的光学特性还不够理想,可以用于这些结构制备的光学反应还不多。这些问题在干涉光束数量增加以形成复杂结构(如金刚石结构或手性格子结构)时变得更为重要。最近有报道用高折光指数材料复型制备反相结构可以提高光学特性[12], · 153 · 自然杂志 31卷3期科技进展
光的色散特性的研究 光线在传播过程中，遇到不同介质的分界面（如平面镜、三棱镜等的光学面）时，就要发生反射和折射，光线将改变传播的方向，在入射光与反射光或者折射光之间就有一定的夹角。反射定律、折射定律等正是这些角度之间的关系的定量表述。一些光学量，如折射率、光波波长等也可通过测量有关角度来确定。因而精确测量角度，在光学实验中显得尤为重要。 分光计是用来精确测量入射光和出射光之间偏转角度的一种光学仪器，可用它来测量折射率、光波波长、色散率等。分光计的基本部件和调节原理与其它更复杂的光学仪器（如摄谱仪、单色仪等）有许多相似之处，学习和使用分光计也为今后使用精密光学仪器打下良好基础。分光计装置较精密，结构较复杂，调节要求也较高，这对初学者来说，往往会感到困难些。但只要在实验过程中注意观察现象，了解分光计的基本结构和测量光路，严格按调节要求和步骤耐心进行调节，就一定能够达到较好的要求。 本实验是在实验3－14用衍射光栅测量光的波长实验基础上的一个实验项目，有关分光计的结构、使用方法和调节步骤请认真阅读实验3－14中的相关内容。 【预习提示】 1．复习实验3－14中分光计的调节方法和步骤，明确分光计的调节要求。 2．用三棱镜调节分光计时，三棱镜应按什么位置放在载物台上？这样放的好处何在？3．如何判断偏向角减小的方向？如何寻找最小偏向角位置？跟踪谱线时能否将载物台（游标盘）与望远镜同时旋转？ 【实验目的】 1．在实验3－14的基础上，进一步熟练掌握分光计的调节和使用方法。 2．掌握用最小偏向角法测定三棱镜对各色光的折射率。 3．观察色散现象，测绘三棱镜的色散曲线，求出色散曲线的经验公式。 【实验原理】 本实验中应该首先搞清楚以下几个概念： ⑴视差：所谓视差是指当两个物体停止不动时，改变观察者的位置，一个物体相对于另一物体有明显移动的现象。在光学仪器的调节中，当人的眼睛从一侧移到另一侧时，像相对于分划板的十字叉丝有明显的移动，即出现视差，说明像与十字叉丝不在同一平面。如果当眼睛移到右边时，像就移到十字叉丝的左边，说明这时的像是在眼睛与十字叉丝之间；如果当眼睛移到右边时，像就移到十字叉丝的右边，说明这时像是在十字叉丝之前。反之，如果眼睛左右移动时，像与十字叉丝之间没有相对移动，像与十字叉丝就在同一平面，说明聚焦已经调好。因此，光学实验中常根据视差现象来判断像与物是否共面。 ⑵平行光：当点光源正好处在凸透镜焦平面上时，由点光源发出的光经过凸透镜后，将形成一束平行光。 ⑶自准法：当光点（物）处在凸透镜的焦平面上时，它发出的光线通过透镜后将形成一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后会聚于透镜的焦平面上，其会聚点将落在光点相对于光轴的对称位置上。 1．用最小偏向角法测量三棱镜的折射率 当光线从一种介质进入另一种介质时，即发生折射，其相对折射率由入射角的正弦和折射角正弦之比确定。由于仪器不能进入棱镜之中观测折射光，故只好让光线经过棱镜的两个界面回到空气中来，再来测量某一单色光经过两次折射后产生的总偏向角。
光子晶体简述 吉林师范大学欧天吉 0908211 摘要：光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，按其空间分布分为一维、二维、 三维光子晶体，一维光于晶体已得到实际应用，三维光于晶体仍处于实验室实验阶段，由于其优良的性能，未来光子晶体材料必将得到大力开发，应用前景更广泛。本文简要的论述了光子晶体的原理，理论研究，材料制备以及相关的应用。光子晶体材料是本世纪最具潜力的材料之一，至从上世间八十年代后期提出这一概念后。光于材料的研究和应用得到了很太的发展，目前在光纤和半导体激光器中已得到应用，本文就光子材料的基本概念和研究现状综合评述并对其未来发展趋势作出相应预测。 关键字：光子晶体材料制备前景应用 光子晶体的原理 1、什么是光子晶体 光子晶体是指具有光子带隙的周期性介电结构材料，所谓光子带隙是由于介电常数不同的材料在空间周期性排列导致介电常数的空间周期性，使得光折射率产生周期性分布，光在其中传播时产生能带结构，在带隙中的光子频率被禁止传播，因此称光子禁带，具有光子禁带特征的材料称光子晶体。因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性，故光子晶体也被认为是控制光子的光半导体。 1987年，E.Yallonovitch和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时分别，提出了光子晶体这一新概念1990年，Ho.K.M，等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。 ２、光子晶体的性质 光子晶体的最根本性质是具有光子禁带,落在禁带中的光是被禁止传播的。Yablonovitch指出:光子晶体可以抑制自发辐射。因自发辐射的几率与光子所在频率的态的数目成正比,当原子被放在一个光子晶体里面,而它的自发辐射光的频率正好 落在光子禁带中时,由于该频率光子的态的数目为零,因此自发辐射几率为零,自发辐射被抑制。反之,光子晶体也可以增强自发辐射,只要增加该频率光子的态的数目便可以实现,如光子晶体中混有杂质时,光子禁带中会出现品质因子很高的杂质态,具有很大的态密度,这样就可以实现辐射增强。
第５４卷第５期２００５年５月１０００．３２９０／２００５／５４（０５）／２１０２—０４物理学报 ＡＣＴＡＰＨＹＳＩＣＡＳＩＮＩＣＡ Ｖ０１．５４，Ｎｏ．５，Ｍａｙ，２００５ ⑥２００５Ｃｈｉｎ．Ｐｈｙｓ．Ｓｏｃ． 光子晶体耦合腔波导的色散特性＊ 冯立娟’江海涛李宏强张冶文陈鸿 （同济大学波耳固体物理研究所，上海２０００９２） （２００４年７月１３１３收到；２００４年９月２９Ｅｌ收到修改稿） 理论研究表明，在基于光子晶体的耦合腔波导中，杂质带的色散性质取决于相邻缺陷间局域电磁场的特性，而非缺陷间距离的大小。在第一布里渊区中出现的杂质带的反常色散实际上是能带折叠的结果．通过计算结构的有效折射率，证实了杂质带色散是正常色散． 关键词：光子晶体，反常色散，耦合腔，杂质带 ＰＡＣＣ：４２７０Ｑ，７８２０Ｐ １．引言 光子晶体由于具有调控光子流的独特性质，一经提出就得到了广泛的关注¨叫。．由于电磁波在光子晶体（周期性排列的介电结构）中的多重散射干涉作用，光子晶体将存在光子带隙．类似掺杂半导体中的缺陷态，通过掺杂同样可在光子带隙中引入杂质态并形成光子微腔．近年来，一种由光子晶体中周期（或非周期）分布的光子微腔形成的耦合腔波导引起了人们的极大兴趣¨－８Ｊ．人们发现在完整光子晶体中周期性地引入缺陷，光子带隙中将出现杂质带．这是由于局域在不同缺陷处的电磁波之间相互耦合（类似固体物理中电子能带的紧束缚机理），导致杂质能级分裂并展宽为杂质带．可以通过控制缺陷的大小和相邻缺陷间的距离来调节杂质带的位置和大小． 由于频率处于杂质带的电磁波的传播是通过缺陷间的耦合来实现的，因而耦合腔波导具有许多传统波导所没有的优点．首先，耦合腔波导允许传输线路的大角度转折，例如无损耗的ｚ字形传播。９。．其次，通过调整缺陷的大小和相邻缺陷间的距离可以得到相对平（色散很小）的杂质带．这就为设计小型化，高保真的脉冲滤波器及延迟线提供了一个机理¨０｜．另外，杂质带带边巨大的群速度色散可被利用来设计导波系统中的色散补偿器＂。．最后，利用杂质带中电磁场局域在缺陷处的特性，从原理上设计出高效的多通道光学开关¨１’１２０． 目前，耦合腔波导中杂质带的色散特性问题引起了人们的关注＂’８１．有人甚至得到了群速度为负的反常色散．在文献［７］中，研究了一个二维圆柱体阵列中在某个特定方向上周期性引入缺陷后结构的色散特性．作者假设完整光子晶体的晶格常数为ｎ，引入缺陷后的相邻缺陷之间的距离为Ｒ，分别研究了Ｒ＝２ａ，３０，４ａ，５Ⅱ时的杂质带的色散关系曲线（频率随布洛赫相位的关系）．计算结果表明色散曲线的走向与尺有关：尺是。的偶数倍（Ｒ＝２ａ，４ａ）时得到了斜率为负（群速度为负）的反常色散；而Ｒ是。的奇数倍（Ｒ＝３ｎ，５日）时，得到斜率为正（群速度为正）的正常色散．本文通过分析说明，在第一布里渊区中出现的杂质带反常色散实际上只是能带折叠的结果．杂质带的色散性质取决于相邻缺陷间局域电磁场的特性，而不是缺陷间距离的大小．最后，本文通过计算结构的有效折射率，证实了杂质带的色散是正常色散． ２．杂质带的色散特性 由于频率处于杂质带的电磁波被局域在缺陷位置，而相邻缺陷之间的耦合仅仅发生在一些特殊的 ’国家重点基础研究专项经费（批准号：２００１ＣＢ６１０４）、国家自然科学基金（批准号：５０２７７０２６）、上海市科委、中国航天科技集团专项基金资助的课题． ＋Ｅ－ｍａｉｌ：ａｉｆｌｊ＠１６３．ｔｏｍ
光子晶体光纤基本特性及其应用研究[S] 英文题名 The Basic Characteristic and the Applications Study of Photonic Crystal Fibers 专业凝聚态物理关键词光子晶体光纤; 多极法; 色散; 有效模场面积; 非线性特性; 双折射; 英文关键词 Photonic crystal fibers; Multipole method; Chromatic dispersion; Effective model field area; Nonlinearity; Double refraction; 中文摘要光子晶体光纤是一种新型的光纤,由于它具有普通光纤所无法比拟的结构设计和光学特性,在近几年成为光纤研究领域的热点。本文介绍了光子晶体光纤的研究背景及发展现状,分析了它的结构特性,并列举了一些不同结构的光子晶体光纤,简单介绍了它的两种导光原理和制备方法,以及在各个方面的应用。设计了两种结构的光子晶体光纤,并对它们的基本特性进行了数值研究。论文所做的主要工作如下: 首先,对几种数值模拟光子晶体光纤特性的理论方法进行了介绍和对比,系统介绍了多极法的原理、方程以及适用条件,突出了多极法的特点和优势并选择多极法作为本文的主要研究方法。其次,采用多极法对实芯六角形光子晶体光纤的色散、有效模场面积与结构参数的关系进行了研究。得到如下结论:通过调节空气孔直径和包层空气孔间距的大小,改变空气孔填充介质的折射率,可以有效地控制光子晶体光纤的色散特性和有效模场面积。再次,设计了一种具有双折射的光子晶体光纤。数值研究发现:通过调节空气孔直径、包层空气孔间距的大小以及x和y方向的结构的不对称性,可以有效地调节光子晶体光纤的双折射特性,使双折射效应显著增强,甚至可以达到比普通光纤高出一个数量级的结果。这些结论为... 英文摘要 Photonic Crystal Fiber(PCF)is a new type of optical fiber. Because of its special structure design and optical properties, PCF has been a focus in optical fiber area in recent years. This paper introduces the research background and current development of PCF, analyzes its two kinds of transmission principle and manufacture ,as well as its application in various aspects.In this paper, it has designed two kinds of structures of PCF,and calculated some basic characteristic of PCF as well.The original jobs in ... 摘要 4-5 Abstract 5-6 第1章绪论 11- 25 1.1 引言 11 1.2 光子晶体简介 11-13 1.3 光子晶体光纤的导光原理 13-16 1.3.1 带隙型光子晶体光纤 13- 15 1.3.2 折射率引导型光子晶体光纤 15-16 1.4 光子晶体光纤基本特性 16-20 1.4.1 无截止单模性质 16- 18 1.4.2 色散特性 18 1.4.3 非线性特性 18-19 1.4.4 双折射特性 19-20 1.5 光子晶体光纤的发展现状及应用前景分析 20-23 1.5.1 光子晶体光纤研究现状 20-22 1.5.2 光子晶体光纤的应用前景分析 22- 23 1.6 本课题的研究目标及实现方法 23-25 第2章光子晶体光纤的研究方法 25-37 2.1 引言 25 2.2 几种光子晶体光纤的研究方法简介 25-28 2.2.1 有效折射率方法 25- 26 2.2.2 平面波法 26 2.2.3 Galerkin 方法 26 2.2.4 有限差分法 26-27 2.2.5 超元胞晶格方法 27-28 2.2.6 光束传播法 28 2.3 多极法
光子晶体及其特性 王娟娟 摘要:光子晶体是一种介电常数不同的、其空间呈周期分布的新型光学材料。通过深入研究,达到进一步了解光子晶体的原理、特性、制备方法以及应用之目的。 关键词:光子晶体光子禁带光子局域Purce ll效应 1.引言 20世纪，半导体的发现并应用引发了一场影响开半导体材料，半导体内部存在周期性势场电子受到周期性势场的调制发生布拉格散射形成能带结构，而带与带之间可能存在禁带，落入禁带中的电子则无法继续传播。 1987 年 E. Yablonovich 和 S. John 分别提出了光子晶体的概念[1-2] 光子 晶体是由不同介电常数的物质在空间周期性排列而形成的人工微结构，当电磁波通过光子晶体时光子晶体中周期性排布的介电常数会对电磁波进行调制，从而产生光子能带能带之间可能存在禁带与半导体对比可以发现在光子晶体中，周期性分布的介电常数起到了半导体中周期性势场的作用，同时与电子禁带相对应的也有光子禁带的存在，因此有人又把光子晶体称为光半导体光子晶体可以用于制作光子晶体偏振器件、光子晶体微波天线、光子晶体棱镜、光子晶体光纤光 子晶体波导等[3-6] 在光通信，光电集成等方面具有极其广阔的应用前景。 2.光子晶体 光子晶体按照其周期性排列方式可分为一维、二维和三维光子晶体，它们的介电常数分别在一维、二维和三维空间上周期性排列，其中一维光子晶体就是常见的多层膜结构，二维光子晶体是周期性排列的介质柱或空气孔，三维光子晶体中介电常数则在3个方向具有周期性在实际应用中，二维光子晶体有着更广泛的前景更受到人们的重视光子晶体具有高低折射率材料交替排列的周期性结构 可以对相应频率的电磁波进行调制产生光子禁带[7-8] ，如果在3个方向上都存在 周期结构，可以产生全方位的光子禁带，在全方位光子禁带中与该禁带频率相对应的电磁波将被完全禁止传播光子禁带是光子晶体的主要特性，光子晶体的另一个特性是光子局域若光子晶体的周期结构被破坏就会在光子禁带中产生缺陷
光纤传输中的色散理论 2011.2.14 摘要：随着光纤通信系统中信号速率的提高和传输距离的增加，光纤的色散、非线性效应，以及二者之间的相互作用成为限制系统性能的重要因素。目前，在光纤通信、色散补偿以及非线性光学等实际应用中，色散特性显得十分重要。本文首先简单介绍了光纤通信的发展，重点讲述了光纤传输过程中的色散特性。接着我们从麦克斯韦方程组出发,建立了光脉冲在光纤中传播的理论模型。在只考虑色散效应的情况下,对该理论模型进行进一步的研究,数值模拟出高斯光脉冲在光纤中的传输状态,并讨论了色散对光脉冲传播特性的影响。最后分别研究了光纤传输系统的几种色散补偿技术。 关键词：光脉冲，色散，麦克斯韦方程组，色散补偿 Dispersion in Fiber Transmission ABSTRACT：Fiber dispersion ,fiber nonlinearity and their interaction become the essential limiting factors of fiber communication systems with theincreasing of bit rate and transmission distance. At present, dispersion characteristics are very important for realistic applications of optical fiber communications, dispersion compensation and nonlinear optics. The article introduces development of fiber communication ，and undertakes a detailed study of dispersion in fiber transmission. then we proceed from Maxwell’s equations to built a theoretic model that describes the propagation of optical pulse in fiber. A further discussion about this theoretic model is proposed in the case of only considering dispersion. The transmission state of Gauss optical pulse in fiber was simulated numerically ,and the influence of dispersion on transmission characteristics of optical pulse is discussed. Finally,the fundamental principle of dispersion compensation are given. Key words:optical pulse , dispersion, Maxwell’s equations ,dispersion compensation
摘要 迄今为止,已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出,并且随着半导体微加工技术的进步和发展,人们对这些器件开展了深入系统的实验研究.这些光子晶体光学器件使信息处理技术的“全光子化”和光子技术的“微型化”与“集成化”成为可能. 关键词光子晶体缺陷微腔
关于光子晶体的认识 光子晶体是折射率或介电常数具有周期性调制分布的一种新型人工光学或电磁波材料,其周期为波长量级.虽然自然界也存在天然形成的光子晶体,比如石英材料的蛋白石光子晶体(opal),但是具有实际应用价值的光子晶体都来源于人工设计和制造,通常利用当今先进的半导体微加工技术,比如电子束刻蚀技术和聚焦离子束刻蚀技术, 其精度可优于5nm,基本能够满足光子晶体集成光学器件的精确制作和加工要求,使得这些器件的光学特性基本符合计算机设计的预期结果,从而实现理论和实验的良好互动. 利用光子带隙的存在能够实现对光传播行为的强有力控制.这主要通过在光子晶体中引入各种缺陷而实现光子的局域化控制.缺陷有两种基本形式:线缺陷和点缺陷.线缺陷形成波导,它可以引导光子沿某一路径传输.由于光子带隙的存在,光只能沿着光子晶体波导延伸方向传播,而不能泄露到周围的光子晶体材料里.光通过90°的光子晶体波导转弯角时,在某些频率窗口能够获得接近100%的传输效率,在这一点上, 光子晶体波导具有传统介质波导(如光纤)无可比拟的优势. 由于传统介质波导通过光在芯层和包层之间的分界面处的全反射效应来实现传输,当光遇到大的转弯角(比如大于30°)时,全反射条件不再满足,相当比例的光能量将从转弯角处泄露到周围空间中去. 上述的研究工作表明,光子晶体波导能够在微纳尺度上实现对光的高效率偏转.受到该研究成果的激励,许许多多应用于不同光频段,着眼于更低损耗,更宽传播窗口,以及一些具有特殊用途(如光速变慢)的光子晶体直线波导得到了广泛的研究. 光子晶体中的另一种缺陷形式——点缺陷通常用来构成光子晶体结构中的微腔,在微腔中只有频率与之共振的光子才能存在,形成一个或多个共振模式,因此微腔具有共振选频的作用.波导与微腔配合使用,构成了集成光学基本元件. 光子晶体中带隙的调控作用还体现在对光源的改善上,早在1987年,Yablonovitch 就预见了光子晶体点缺陷形成激光器的可能.大体说来就是将光信号设计在导带区域,使其能够透过晶体继续传播,而噪声落入带隙区域被完全屏蔽,从而获得超过传统光源的高单色性激光输出.12年后,美国加州理工学院的A.Scherer研究小组首次实现了室温下抽运的光子晶体纳米激光器,翻开了世界范围光子晶体激光器研究工作实用化的新一页.该小组在包含有多层量子阱结构的砷化镓桥式薄膜
o C Z b a C Z 波导特性阻抗的新概念 1 引言 阻抗是电路理论的基本概念。特性阻抗是传输线理论与微波电路理论的基本概念。波导特性阻抗是波导这种电磁能量传输系统的基本而又实用的概念。波导特性阻抗的主要应用是计算截面尺寸变化产生的反射，由此可以对波导生产工艺提出合理的公差要求。许多国家都有波导标准，并有国际性的波导标准（IEC 标准）。 波导标准中工艺公差的规定是以特性阻抗理论为依据的。特性阻抗的具体应用还有设计波导过渡、设计波导滤波器、计算截面变化型标准负载反射值等。 由谢昆诺夫引入[1]并载入大量书籍(例如[2~5])而被长期应用的矩形波导特性阻抗（部分书籍又称等效阻抗，以下简称旧特性阻抗）是个不正确的概念。它从三十年代末产生到此文前，一直陷于物理意义的费解和逻辑上 的混乱。用此概念计算反射与实验不符，更是其致命伤。国际上多次出现 对旧特性阻抗的异议[6~9] ，但一则未指明旧特性阻抗的弊病，二则所提出的唯象阻抗本身也不完整，遂未能变革这个概念。 本文分析了旧特性阻抗的弊病，提出关于定义波导特性阻抗的法则， 建立了矩形波导与远程圆波导特性阻抗的新概念，并联系到实际应用的问题。 2 矩形波导旧特性阻抗的问题 矩形波导旧特性阻抗是类比于双线、同轴线引入的，用了总电流的概念，并随意选取电 压电流值。所得结果为 其中，a 为矩形波导宽边长，b 为窄边长，Z o 为波阻抗，C 为某一常数，随定义方式而不同：由宽边中间电压与电流定义时，C =π/2；由功率与宽边中间电压定义时，C = 2；由功率与电流定义时， C =π/8。 这样定义的特性阻抗，有下列问题： (1) 定义量选取的随意性 由电压与电流定义特性阻抗时，电压V 取宽边中间电压值或空间均方根值。这种选取是人为的。用集总参数的量代表分布参数的量，还有多种乃至无数种选取方式。定义量选取的
光子晶体: 光子晶体是指具有光子带隙（PhotonicBand-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。 简介： 光子晶体（Photonic Crystal）是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。 光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。 与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波---当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。 光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。（应用）简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。 背景： 微波波段的带隙常称为电磁带隙（ElectromagneticBand-Gap,简称为EBG），光子晶体的引入为微波领域提供了新的研究方向。 光子晶体完全依靠自身结构就可实现带阻滤波，且结构比较简单，在微波电路、微波天线等方面均具有广阔的应用前景。 国外在这一方面的研究已经取得了很多成果，而国内的研究才刚刚起步，所以从事光子晶体的研究具有重要的意义。（研究现状） 光子晶体是指具有光子带隙（Photonic Band-Gap,简称为PBG）特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG结构。 所谓的光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。 这一概念最初是在光学领域提出的，现在它的研究范围已扩展到微波与声波波段。由于这种结构的周期尺寸与“禁带”的中心频率对应的波长可比拟，所以这种结构在微波波段比在光波波段更容易实现。 光子晶体概念的产生： 到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不约而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段的电磁波强度会因破坏性干涉而呈指数衰减，无法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能带结构(photonic band