基于自映像的光子晶体波导分束器的设计

光子晶体的新技术与应用光子晶体，是由周期性介质微结构组成的一种新型光学材料，具有与半导体等材料类似的带隙结构。

它可以通过控制光的传播方式和频率以实现很多光学效应。

近年来，随着光子晶体的不断发展和研究，它已成为一个引人注目的新型材料，并在许多领域中得到了广泛的应用。

下面就让我们来一探光子晶体的新技术与应用。

一、光子晶体的制备技术目前，制备光子晶体主要有三种方法，分别是自组装法、光束干涉法和离子注入法。

自组装法是将介质微珠均匀地分散在溶液中，再利用自组装原理使其自组装成为光子晶体。

光束干涉法是在介质中打入两束激光，由于相位差的存在，使得在交点处形成周期性微结构。

离子注入法是将离子注入到介质中，形成一个高折射率区和低折射率区交替分布的结构。

这三种方法各有优缺点，且制备过程也非常复杂，需要较强的技术支持。

但是，光子晶体的制备技术的不断进步，将为其在各个领域中的应用提供更多的可能。

二、光子晶体在传感领域的应用由于光子晶体的带隙结构具有高度选择性，敏感度高等特点，因此在传感领域中有较大的应用潜力。

其主要应用在生化传感、环境监测等领域。

例如，在生化传感方面，利用光子晶体芯片可以检测出非常小的生化分子，从而实现对生物离子浓度、蛋白质浓度等的检测；在环境监测方面，可以通过光子晶体芯片来检测空气中的污染物，如NO2、SO2等。

三、光子晶体在光学器件领域的应用光子晶体的带隙结构可以控制光的传输，利用这种特性可以制作出各种光学器件。

例如，将光子晶体用作波导可用于光信号的传输；将光子晶体用作滤波器可以实现对特定波长光的选择性传输；将光子晶体用作分束器可以实现对入射光的不同方向进行分布。

而光子晶体激光器也是其中的一个热点研究领域。

此类激光器是利用光子晶体的带隙结构和材料本身的非线性效应，使光的传输方式得到控制从而产生激光辐射。

随着光子晶体的制备技术和性能的不断提升，光子晶体激光器的发展前景将会更加广泛，并将在各个领域中得到更多的应用。

光子晶体波导光子晶体波导是一种利用光子晶体结构产生波导效应的光学器件。

所谓光子晶体是指一类具有周期性结构的光学介质材料，其晶格常数与光波长相当，因此对光具有特殊的衍射和散射特性。

光子晶体波导利用这一特性，在光子晶体内部形成能够在其中传播的光波，实现光信号的分支和转导。

下面我们将对光子晶体波导的原理、制备和应用进行详细介绍。

一、光子晶体波导的原理光子晶体波导的波导效应来源于光子晶体的色散特性和布拉格散射效应。

所谓色散效应是指在介质内传播的光的波长和相速度与外界的介质相关，并表现出色散的特性。

而布拉格散射则是指光的波长和晶格周期匹配，从而在晶格结构内衍射出特定方向和波长的滞留波，形成反射和散射的效应。

当这两种效应同时存在时，就会在光子晶体的特定方向、波长和振幅范围内产生波导效应。

光子晶体波导的波导效应可以通过折射率分布、色散和光学模式的分析来解释。

对于具有正六边形晶格结构的光子晶体，其折射率分布表现为一层层相互封闭的带隙结构，其垂直与晶格面的平面波模式不能通过光子晶体传播。

而在带隙之外，光子晶体则存在一系列模式，其中有一种由于波导介质的折射率高于周围介质，从而能够在其中传播，形成光子晶体波导结构。

二、光子晶体波导的制备光子晶体波导的制备可以通过多种方法实现。

其中，溶胶-凝胶法、原子层沉积法、纳米压印法和自组装法是较为常用的方法。

溶胶-凝胶法是一种简单有效的光子晶体波导制备方法，其主要是通过在介质表面形成刻蚀或沉积波导结构的方法，形成光子晶体波导。

溶胶-凝胶法利用的是溶胶和凝胶的化学反应原理，将有机或无机前体分散在水或有机溶液中，形成胶体，之后通过升温凝胶，形成毛细管结构。

再通过腐蚀、烧结等处理，形成该结构的波导结构。

原子层沉积法是一种通过将材料在表面上依次沉积的方法制备光子晶体波导。

通过不断沉积厚度固定的单层光子晶体材料，形成多次反射和散射，最终形成波导结构。

这种方法可获得具有更加精细的结构和表面光滑的光子晶体，但其制备时间和成本相应较高。

光子晶体的设计与制备光子晶体是一种具有周期性介电常数分布的材料，其具备许多特殊的光学性质，例如禁带、色彩、极化、干涉等。

具体而言，光子晶体的禁带结构可以阻止某些波长的光进入材料内部，使得它具有高压缩率、低散射和光隙过滤等优异性能。

因此，光子晶体在信息、能源、电子学和生物医学等领域具有重要的应用前景。

光子晶体的制备和设计是光子学领域的一个重要问题。

本文将从光子晶体的制备和设计方面，结合现有的研究成果进行系统的阐述。

1. 光子晶体的制备方法目前，光子晶体的制备方法主要有三种：自组装法、电子束刻蚀法和光束刻蚀法。

1.1 自组装法自组装法是一种简单而常用的制备光子晶体的方法。

它通过对带电或疏水的粒子进行配合，使它们按照一定的规则排列形成晶格结构。

自组装法具备制备大尺寸光子晶体的优势，但其制备的光子晶体往往存在缺陷和同质性差的问题。

1.2 电子束刻蚀法电子束刻蚀法是使用电子束对物体进行加工和制造的一种新型技术，它可以制造出高质量的光子晶体。

通过电子束照射对应位置，使其发生化学反应，在刻蚀过程中形成光子晶体的模式。

电子束刻蚀法可以制备小尺寸结构及高品质的光子晶体，但其成本较高，不适合大规模生产。

1.3 光束刻蚀法光束刻蚀法是一种基于激光技术制造微结构形态的方法。

它是利用激光束集成在一起制造复杂几何结构，同时也可以制造高品质且变化较大的微结构，适用于大规模生产。

2. 光子晶体的设计光子晶体的性质和性能主要由它的微结构和晶格结构所决定，因此，光子晶体的设计和构造是非常重要和关键的一环。

2.1 晶格结构的设计在晶格结构的设计过程中，应首先根据目标应用要求来选择合适的结构类型。

常用的光子晶体结构有正交晶格、正方晶格、菱形晶格、六角晶格等各种类型。

不同的晶格结构，在其光学性质上具备的性能和应用范围也有区别，因此在进行晶格结构的设计时需要根据不同的应用需求来制定相应的方案。

2.2 尺寸和周期的设计晶格结构的尺寸和周期也是光子晶体设计中的两个重要参数。

第 １２卷 第 ６期２０１４年 １２月光 学 与 光 电 技 术ＯＰＴＩＣＳ ＆ ＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．１２，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１４文章编号：１６７２－３３９２（２０１４）０６－００９２－０３ＴＭ 模式介质柱光子晶体１×５光分束器黄慧萍（厦门华天涉外职业技术学院，福建 厦门 ３６１０００）摘要 提出了一种利用自准直效应基于 ＴＭ 模式二维光子晶体的 １×５光分束器。

该结构由两 个环形谐振腔级联而成 ，每个环形谐振腔有 ４ 个可改变介质柱半径的分光镜。

首先运用多光束 干涉原理分析光分束器中各个端口的透射谱 ，按照设置的比例对 ８个分光镜进行合适的组合 ，自 准直光束即可从５个出口出射，达到１×５分束 器的效果；然 后利用时域有限差分软件方法来对 数值进行模拟，其结果和理论值吻合地较好 。

该结构尺寸较小，自 由光谱范围大，在 未来的高密 度集成光路中会有较好的应用前景。

关键词 自准直效应；级联环形谐振腔；光分束器；光子晶体 中图分类号 Ｏ４３９文献标识码 Ａ１ 引 言互联网的高速发展带动了各种光通信技术的 发展，其中高性 能、高集成度的多 功能光器件的设计显得尤 为 重 要。

光 子 晶 体［１，２］是一种人工的周 期性材料排列所组成的结构 ，它 具有负折射、慢 光波导［３，４］、超棱 镜 等 特 点。

自 准 直 效 应［５，６］是 光 子 晶体所具有的特性之一 ，它能使光束在光子晶体中克服发散或衍射加宽效应而实现几乎完全准直的 传播特性，无需 引入缺陷结构，所 以大大降低了制 作成本。

本文设计了基于光子晶体级联自准直环形腔 的１×５光分束器，它尺寸小、材料单一、损耗低，有 望在集成光路中发挥重要作用。

２ １×５光分束器２．１ 色散曲线与自准直频率范围利用平面波展开法［７－９］得 到如图 １ 所示的 ＴＭ 模式第一带柱状光子晶体的色散曲线和 ＴＭ 模式 等频图，背景材料的介质常数ε 和空气柱半径ｒ 分 别为 １２．２５ 和 ０．４０ａ，ａ 为晶格常数。

51,052304(2014)激光与光电子学进展Laser&Optoelectronics Progress©2014《中国激光》杂志社基于光子晶体波导的折射率传感器的灵敏度优化设计柯林佟陈卫业张洋李荣生沈义峰中国矿业大学理学院,江苏徐州221116摘要通过研究波导两侧缺陷处的折射率对二维光子晶体波导透射光谱的影响，提出一种提高折射率传感器灵敏度的方案。

计算结果表明光子透射带上边沿的偏移量与传感区折射率的大小存在一定关系，在相同的折射率变化量下通过改变波导两侧缺陷处圆孔的相关几何参数可极大提高光子透射带上边沿的偏移量，即提高折射率传感器的灵敏度。

通过优化设计，传感器的灵敏度由折射率变化区间0.0~1.0的55nm/RIU(RIU表示折射率单元)与1.1~2.0的36nm/RIU分别提高到对应的405nm/RIU以及222nm/RIU。

关键词光学器件；折射率传感器；灵敏度优化；光子晶体波导；光子带隙；时域有限差分法中图分类号O436文献标识码A doi:10.3788/LOP51.052304Optimizing Design for Sensitivity Improvement of Refractive Index Sensors Based on Photonic Crystal WaveguideKe Lintong Chen Weiye Zhang Yang Li Rongsheng Shen Yifeng Department of Physics,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu221116,ChinaAbstract The transmission spectrum of a two-dimensional photonic crystal waveguide with edge defects of different refractive indexes(RIs)is analyzed,and accordingly a proposal to improve the sensitivity of RI sensor is put forward.The simulations and calculations show that the offset of the upper band edge of the transmission band is related to the RI of the analyte.For the same RI variation,the shift of the upper band edge of the transmission band can be greatly improved by changing the related geometrical parameters of holes at the defect area near both sides of the ly,the sensitivity of the RI sensor is enhanced.In this paper the sensitivity is respectively improved from55nm/RIU(RIU means refractive index unit)to405nm/RIU and36nm/ RIU to222nm/RIU corresponding to the range of the variation of RI(D n)from0.0to1.0and1.1to2.0after the optimizing process.Key words optical devices;refractive index sensor;sensitivity optimization;photonic crystal waveguide;photonic band gap;finite-different time-domain methodOICS codes230.5298;280.4788;130.5296；350.42381引言John等[1-4]于20世纪80年代提出了光子晶体这种新型材料的概念。

基于同轴波导的1分16功分器的设计与实验
杨梓晗;张军;张强;周科霖;冶玲;赵立山
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2023(35)3
【摘要】针对高功率固态源多路功率分配技术的需要,设计并研究了一种基于同轴波导的多路功率分配器件。

通过分析同轴波导传输特性与阻抗匹配理论,利用电磁仿真软件设计了一种S波段1分16功分器模型,并加工出实物进行实验测试。

实验结果表明:该功分器在2.28~2.86 GHz,相对带宽约23%频率范围内,输入端反射系数S11≤-15 dB;在2.37~2.57 GHz,相对带宽约8.1%频率范围内,输入端反射系数S11≤-20 dB;输出幅度不平衡度±0.1 dB,相位不平衡度±5°。

该功分器满足输出幅度与相位一致性要求,可应用于S波段百瓦级连续波功率分配。

【总页数】6页(P44-49)
【作者】杨梓晗;张军;张强;周科霖;冶玲;赵立山
【作者单位】国防科技大学前沿交叉学科学院;国防科技大学理学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN81
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基于六边形基元的光子晶体宽带大角度自准直特性研究陈宝锭;陈新锋;陈华宝;李清波【摘要】通过对能带结构和等频图(EFC)的分析,提出的基于六边形基元的正方点阵光子晶体结构(PR-PC)具有宽带大角度自准直特性.宽带自准直频率范围达1.47 GHz,相对中心频率带宽为11.85％,入射角范围可以超过±45°.长径比变大情况下,最终出现全角度自准直.数值结果表明:通过改变填充因子、长径比可以实现对PR-PC结构的自准直频率范围、中心频率值以及入射角范围的调整.【期刊名称】《重庆文理学院学报（社会科学版）》【年(卷),期】2015(034)005【总页数】5页(P13-17)【关键词】自准直传输;等频图;六边形基元【作者】陈宝锭;陈新锋;陈华宝;李清波【作者单位】淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安223300;淮安市信息功能材料研究重点实验室,江苏淮安223300;淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安223300;淮安市信息功能材料研究重点实验室,江苏淮安223300;淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安223300;淮安市信息功能材料研究重点实验室,江苏淮安223300;淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安223300;淮安市信息功能材料研究重点实验室,江苏淮安223300【正文语种】中文【中图分类】O413.1光子晶体是一种由Eli Yablonovitch 教授和Sajeev John教授最早提出的折射率周期性变化的人工微结构[1, 2].近年来，光子晶体的负折射[3]、慢光[4, 5]、自准直等非带隙特性受到越来越多的关注，极大地推动了光子晶体的实际应用.其中,自准直效应来自于光子晶体等频线零曲率段的异常色散特性.由于布洛赫模式的群速度垂直于等频线, 使得所有的传输模式在同一方向传播,因而保证了入射波在光子晶体中无衍射传播,其很长距离也不会出现空间展宽.与经典的光子晶体波导相比较，作为一个没有边界波导机制, 基于自准直效应设计了诸多微观光学设备，如分束器[6]、干涉仪[7]、滤波器[8]、极化分束[9]等.自准直效应的鲁棒性也在厘米尺度的硅实验平台上实验验证[10，11].同时，自准直效应也在多层光子晶体以及超材料系统中被发现[12-15].光子晶体结构色散曲线的模式特性可以方便地通过等频图观察，通过这种方式可以方便地对正方形晶格、三角形晶格或其他晶格的特性进行对比 [16].我们发现，在正方形晶格中自准直频率范围通常低于中心频率的10﹪，且在这些频率上自准直角度范围窄于±45°[17].然而，实际应用中的自准直效应是希望入射波在整个角度范围、很大的带宽内都有自准直效果.想要实现理想中的自准直效应，介质柱往往需要采用高折射率的几何形状[18].本文在提出具有宽带大角度自准直效应的PR-PC结构的基础上，通过对能带图和等频图的分析以及能量场的仿真研究其自准直特性，并讨论填充因子和长径比的变化对PR-PC自准直特性的影响.本文设计一种以空气为背景的正方点阵、六边形晶格结构，我们称之为PR-PC，其结构参数如图1(a)所示.六边形基元为YMnO3(介电常数ε=20)介质柱，分别定义长、短边长度为b和c，长边平行于x轴方向.晶格常数定义为a，除非特别说明，b=0.6a，c=0.2a.由此可以推算出长径比和填充因子分别为r2/r1=3.121，f=SPR-PC/SLattice=0.209 7.六边形内角α、β分别为90°和135°.需要指出的是：我们设计的晶格结构信息主要体现于介质柱内角关系，文中只通过改变a、b值讨论填充因子和长径比对介质柱阵列自准直特性的影响.PR-PC正方晶格点阵的示意图和相应的布里渊区如图1(b)所示.在本文中，我们使用平面波展开法计算PR-PC倒易空间的能带结构和等频图，忽略介质柱损耗对电磁波的吸收作用，获得的能带结构如图2(a)所示.在f=0.413c/a附近沿波矢ГX方向可以观察到一个频率范围为a/λ=[0.389,0.438]的线性增加区域，在这个频率范围内PR-PC具有单模传播特性.这进一步证明可以发现在这个线性区域内存在自准直效应[19].图2(b)画出了对应线性频带的等频图.根据)，其中对应波矢， VG表示了能量垂直于等频图方向的传播速度，其方向与相应点处角频率)的梯度方向一致.由等频图看到，在频率a/λ=[0.389,0.438]范围内，等频线沿着XM方向为近似直线，由准直特性可知，在该频率内的入射电磁波都可以在ГX方向自准直传输.文中我们只考虑了横磁模式，电场只有z轴分量，横电模式与之类似.这表明我们所设计的PR-PC结构具有良好的空间自准直传输特性.我们进一步使用有限元方法分析了所提出结构的自准直特性.为了消除边界两端的多次背面反射，我们采用完全匹配层边界条件(PML).设定晶格点阵的长度L和宽度H分别为50a和11a，在距离晶格点阵左侧3a处放置一个沿竖直方向长度为3a、中心频率f=0.413a/c的 TM模高斯线光源,从左侧入射到晶格点阵上，仿真高斯波束在晶格点阵中的传输.图3(a)为TM偏振空间能量分布，可以清晰地看出，在50倍晶格常数的距离内高斯波束传播方向没有出现明显的空间展宽.图3(b)与图3(c)分别为高斯波束以30°、45°入射到介质光子晶体中的能量分布情况.我们可以观察到无论是30°还是45°入射，高斯波束在光子晶体中都是自准直传输的，波束并没有出现明显的空间展宽，并且波束在右侧以入射角度出射.由此可以看出，我们所设计的PR-PC具良好的宽角度自准直特性.填充因子和长径比对晶格阵列自准直性具有重要作用，为了研究填充因子对我们所提出的PR-PC结构自准直特性的影响，我们计算了相同长径比下填充因子改变至0.253 9和0.202 6的等频图，如图4(a)和图4(b)所示.从图中可以看出，填充因子增加时自准直频率区间略有增大而填充因子减小时自准直频率区间略有减小.此外，自准直中心频率也出现了偏移，在填充因子变大时中心频率明显减小而填充因子减小时中心频率则有一定的上升.就自准直入射角范围而言，当填充因子增大时入射角范围减小，而填充因子减小时入射角范围增大.可见，我们可以通过改变填充因子来调整自准直频率区间、中心频率值以及入射角范围.在填充因子一定的情况下，改变长径比至4.14和2.48，其等频图分别如图5(a)和图5(b)所示.从图中可以看出，长径比对自准直频率特性的影响较小.在长径比变大时中心频率略有下移，自准直频率范围也有所减小；长径比变小时中心频率略有上升，自准直频率范围也有所增大.然而，长径比变小时自准直入射角范围明显变小，而长径比变大情况下则最终出现了全角度自准直.对两幅等频图分析表明：填充因子在[2.79，3.57]范围内可以通过改变长径比来调整自准直入射角范围，同时也可以略微修改中心频率及自准直频率范围.本文结合能带结构和等频图分析，从理论上研究了我们所设计的六边形基元二维光子晶体结构中TM模式的宽带大角度自准直特性，带宽达中心频率的11.85﹪，且中心频率处入射角范围可以超过±45°，长径比变大情况下则最终出现了全角度自准直.通过改变填充因子和长径比，证明了可以通过改变填充因子和长径比实现对PR-PC结构的自准直频率区间、中心频率值以及入射角范围的调整.【相关文献】[1] Yablonovitch E. 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二维光子晶体波导分波效率的优化
廖兴展;徐旭明;方利广
【期刊名称】《光通信技术》
【年(卷),期】2008(32)3
【摘要】基于自成像效应(SIE)的多模干涉(MMI),设计了一种二维光子晶体波导二端口分波器.采用时域有限差分法和平面波法作为研究工具,从理论上分析了这种器件的特性,在一定耦合长度下研究光在输出端的透射率,结果表明,选择适当的耦合长度可以使光在两个端口高效率输出.进一步研究得知,通过改变器件内部一个介质柱的半径,可以提高光在输出端的透射率.
【总页数】3页(P23-25)
【作者】廖兴展;徐旭明;方利广
【作者单位】南昌大学,物理系,南昌,330031;南昌大学,物理系,南昌,330031;南昌大学,物理系,南昌,330031
【正文语种】中文
【中图分类】O734
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3.流体饱和半空间二维地形三分量弹性波散射间接边界元模拟 [J], 梁建文;吴孟桃;巴振宁
4.二维介质柱光子晶体波导的优化设计(英文) [J], 詹仪;郑义;徐云峰
5.太赫兹波在二维光子晶体波导中的传输特性研究 [J], 黄小琴;陈鹤鸣
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