中国无线电电子学、电信技术类核心期刊
光子晶体波导传输特性研究
朱志宏叶卫民.季家袁晓东 曾淳张晚云
(国防科技大学理学院光子声子研究中心长沙410073)
摘要在完整二维光子晶体中引入线缺陷后,就形成了二维光子晶体波导。将时域有限差分方法(FDTD)用于光
予晶体波导传输特性研究,计算了光子晶体波导的透射率频率分布,给出不同结构的光子晶体波导的光场分布及
能流密度示意图。
关键词光子晶体时域有限差分光子晶体波导传输特性
中圈分类号1N929.11文献标识码A
1引言
近年来,光子晶体(photoniccrystals)‘1叫因其具有
控制光子的流动的能力而备受关注⋯。它其实可以理
解为就是一种周期性电介质。在周期性电介质材料
中,光的色散曲线明显地不同于均匀电介质中的光的
色散曲线,其中存在类似于半导体禁带的”光子禁带”
(photonicbandg印)”9;如果光的频率在禁带范围内,
则它不能在介质中传播。光子晶体的非凡的本领正是
由于这个禁带的存在。
当在光子晶体中引入线缺陷后,处于原来对完整
光子晶体不透明的禁带中的光可以沿着线缺陷传播,
这就形成了光子晶体波导,鉴于光子晶体波导具有传
统介质波导所不具有的一些独特的性质:光子晶体波
导的尺寸可以是波长的数量级,这使光子晶体波导被
集成更为容易;光子晶体波导的拐弯角度可以很大,
这使得光子晶体波导的形状可以更加多样化;光在光
子晶体中可以无损耗传播等等,因此,研究光在光子
晶体波导中的传输特性是一件很有意义的事情。
本文将时域有限差分方法(FDTD)“1。竭作为研究的
工具,以二维方型光子晶体TM模为研究对象,给出了
一些计算结果;FDTD方法能够很直观地给出光在光
子晶体波导中的传输行为和光场分布情况,它能处理
任意几何形状的光子晶体波导,它的另外一个优点是
可以通过傅立叶变换,一次计算出包含很大频率范围
的结果。
2结果与分析
对于如图1所示的二维线缺陷方型光子晶体:晶
收稿日期:2003—07—02
格常数为a,基质为空气,介质柱半径为r,介电常数为
8;取r=0.25a,介质柱的相对介电常数为4.55。以TM
模(电场方向平行于介质柱轴方向)为研究对象,当
TM模脉冲源(局域源)沿图中箭头位置和方向入射到
光子晶体上时,用FDTD方法可以得到A处的透射率
频率分布如图2中的”datal”。”data3”与”data2”是
去掉光子晶体后,相同的局域源在空气中传播时,在A
处和整个出射面的透射率。从图中可以看出,如果光
的频率在光子晶体禁带范围之外,则不管是在光子晶
体波导中还是空气中,散射(或衍射)都很厉害,以至到
达A处的能量只是很少的一部分;当光的频率(归一
化频率o.36-o.46之问)在光子晶体禁带范围之内时,
在光子晶体中,光波只能沿着线缺陷传播,能量集中
到达A处。
图1包含线缺陷的二维方型光
擂3。∞。wo∞o∞o-o⋯“om。mn5
N0lTna¨酬岫∞nq:’*f2Fl
田2 A处TM模透射率频率分布
作者简介:朱志宏男,1978年生,国防科技大学博士研究生。 图3单色l归一化频率为O4JTM模电场强度E矢-在有直线
研究方向:光子晶体 线缺陷的光子晶体中的分布(左围为直线线缺陷光子晶体俯视
项目资助:本文受973国家安全重大基础研究项目资助。 圈,右图为对应左田的电场分布J固化露蹭筏知2003年第12期————
;;篥.........
鞭搬磴鞭档麓
万方数据
围5单色(归一化频率为04)TM模电场强度E矢量在有弓型线
缺陷的光子量体中的分布
圈7光子晶体中的能流
密度矢量
图8二维方型光子晶体波导俯视图
。‰⋯∞⋯m⋯mom
NomⅥ¨Ⅷhq⋯y:M2”)
田10拐弯处透过率频率分布
7⋯∞*⋯05”01⋯∞
图9光子晶体中的能流密度矢量
设计如图3、图4
和图5所示三种不同
的光子晶体波导结
构,从其光场分布图
可以直观地看出,当
光子晶体中存在线缺
陷时,频率处于禁带
的光能够沿着线缺陷
传播,而不管线缺陷有多大的拐弯角度。计算表明,当
处于禁带频率范围的光在图3所示的直线缺陷中传
播时,能量没有损失,在弯波导中传播时能量损失也
很小,如图10所示。
对于如图6所示的二维方型光子晶体直角波导,
当频率为0.43的单频源沿图中箭头方向和位置入射
到波导口时,可以得到场稳定后波导中某一时刻的能
流密度矢量图如图7。从图7中可以看出,光的能量大
部分集中在波导中,在拐角处,能流密度方向发生较
大改变。当改变波导拐角为如图8所示,可以得到它
的能量密度矢量图如图9,在拐角处,能流密度方向改
变相对较平缓。当宽频源入射时,可以得到两种拐弯
情况下的能量透过率如下图10所示(data1对应图
6,data2对应图8),结果表明:在公共禁带范围内,两
种情况的结果一样,几乎都没有能量损失;在公共禁
带范围之外附近,两种情况下的能量损失相差较大。
3结束语
本文将FDTD用于光子晶体传输特性理论研究,
结果表明,光子晶体波导与普通介质波导相比具有转
弯角度大、损耗小、容易集成等特点。鉴于光子晶体波
导的这些优点,制作实际的硅基光子晶体波导来约束
和传输光将是我们下一部分的工作。
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光子晶体波导传输特性研究
作者: 朱志宏, 叶卫民, 季家, 袁晓东, 曾淳, 张晚云
作者单位: 国防科技大学理学院光子声子研究中心,长沙,410073
刊名: 光通信技术
英文刊名: OPTICAL COMMUNICATION TECHNOLOGY
年,卷(期): 2003,27(12)
引用次数: 3次
参考文献(12条)
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相似文献(10条)
1.期刊论文 朱志宏.叶卫民.季家镕.袁晓东.曾淳.Zhu Zhihong.Ye Weimin.Ji Jiarong.Yuan Xiaodong.Zeng Chun
用时域有限差分方法研究非惯性坐标系下光子晶体传输特性 -光学学报2005,25(10)
将时域有限差分(FDTD)方法用于非惯性坐标系下光子晶体理论研究,给出了非惯性坐标系下的差分方程和理想匹配层(PML)边界条件.设计了一个包含
闭合环行腔和定向耦合器的光子晶体结构.定向耦合器的耦合长度为43a,这样的耦合长度既保证了闭合环行腔的高Q值,又保证了必要的频率分辨力.理论
计算表明:光子晶体转动时,闭合环行腔里顺时针与逆时针方向传播的光有频差产生,此频差大小与光子晶体的转动角速度有关.
2.期刊论文 朱志宏.叶卫民.季家殚.袁晓东.曾淳.Zhu Zhihong.Ye Weimin.Ji Jiarong.Yuan Xiaodong.Zeng Chun
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维约束,其导带中存在着微小禁带(mini-gap).
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光子晶体是一种存在带隙的周期结构的人造材料.其特点是光子晶体能够完全反射频率处于带隙内的电磁波或完全抑制频率处于带隙内的自发辐射
.由于光子晶体能带理论是一种精确的理论,因此,在光子晶体的研究中,理论工作就有着特别重要的意义.本文首先详细讨论了用于光子晶体能带计算的
Order-N算法和直角坐标系下用于发光二极管光输出效率计算的电磁场的时域有限差分算法.其次,我们利用一般坐标系下的Order-N算法计算了
Sierpinski地毯结构光子晶体的能带.计算结果表明,这种准分形结构光子晶体的能带具有一定的自相似性.其带隙具有多频带隙的特性且带隙的中心频率
会随着分形结构单元几何形状的改变而改变.当这种准分形结构光子晶体中含有理想导体时,其能带不但具有大的绝对带隙,多频带隙的特性,而且,随着分
形级数的增大,能带会迅速趋向于能级结构.再次,利用上述能带的特性,我们讨论了这种准分形结构光子晶体在波分复用滤波器上的应用.计算结果表明
,通过改变分形结构单元的几何形状,我们可以较方便地调谐波分复用滤波器的滤波频率.最后,利用直角坐标系下的时域有限差分算法,我们详细讨论了光
子晶体在提高GaN发光二极管光输出效率中的作用.计算结果表明,对于GaN材料,选择石墨点阵柱状光子晶体在制备上较有利,同时,只有含中心柱结构的这
种光子晶体可以提高GaN发光二极管的光输出效率.另外,在塔状光子晶体柱角度合适的情况下,塔状光子晶体柱能有效地提高GaN发光二极管的光输出效率
.而光子晶体柱半径和柱心位置的随机变化会随机地改变GaN发光二极管的光输出效率.根据上述结果,我们给出了GaN光子晶体发光二极管的一般设计原则
.
4.会议论文 朱志宏.叶卫民.季家熔.袁晓东.曾淳.张晚云 光子晶体滤波器 2003
在完整二维光子晶体中引入线缺陷和点缺陷后,就形成了光子晶体波导和微腔;本文将时域有限差分方法(FDTD)作为光子晶体波导与微腔耦合的研究
工具,结果表明:在共振频率处,微腔和附近的波导发生共振耦合,波导中频率在微腔共振频率的附近的光波的能量能被"下载"到了微腔里面.进一步的研究
表明:设计不同结构的腔,可以"下载"不同频率成分的波.
5.学位论文 王身云 光子晶体电磁特性分析与大带隙结构设计 2007
光子晶体是一种由介质和金属周期性排列构成的人工材料,即所谓的“光半导体”。由于其独特的性能和潜在的巨大的应用前景,光子晶体己成为
近十多年来国际科学领域研究熟点。 光子晶体结构的复杂性,使人们难以对其做定性或解析分析,只能应用繁复的数值模拟,因此光子晶体计算
方法理论是本论文的主要线索。 时域有限差分方法(FDTD)在电磁场数值模拟领域正受到越来越多的注意。它直接在时域求解离散化了的麦克斯韦
方程组,能模拟任意几何形状的结构;它的另外一个优点是可以通过脉冲输入响应的傅立叶变换,一次计算出包含很大频率范围的结果。本学位论文首
先对二维光子晶体材料给出理想性假设并详细推导出适用于计算二维光子晶体带隙的时域有限差分方程,并利用时域有限差分方法分析了光子晶体线缺
陷的在近红外波段的电磁特性,即电磁波在线缺陷内传播有拐弯角度大,损耗小,容易集成等优点。然后分析了线缺陷与点缺陷的电磁耦合特性,并设
计了一种能提高单频电磁波耦合效率的分频模型。 转移矩阵方法是一种简单但很实用的方法,主要适用于计算一维光子晶体的带隙结构。光子晶
体的主要特性就是光子禁带,然而只有特殊的周期结构才有光子禁带,因此光子晶体结构设计是光子晶体理论研究的重要内容。本学位论文提出了复周
期结构光子晶体概念,即由两种及以上的参数结构的光子晶体构成。本学位论文设计了一维复周期结构光子晶体和二维复周期结构光子晶体,分别选用
转移矩阵方法和时域有限差分方法计算出了相应的光子带隙,结果表明复周期结构光子晶体的带隙明显大于各组合光子晶体的带隙。 平面波算法
是光子晶体的常规算法,它是已有光子晶体算法中提出最早、应用最广的算法,但平面波算法具有慢收敛性的缺点。本学位论文利用平面波展开法研究
分析了二维光子晶体的完全带隙,并根据扫瞄计算分析设计出获得较大完全光子带隙的光子晶体结构参数。 适用于等离子体的分段线形电流密度
卷积时域有限差分(PLCDDRC-FDTD)算法是一种具有较高计算效率和计算精度的数值计算方法,本学位论文用此算法分了等离子体光子晶体的特性,并分
析了等离子体各重要参数对等离子体光子晶体电磁带隙的影响。总之,本学位论文工作涉及光子晶体算法理论、光子晶体新结构的设计及光子晶体新材
料的应用,在各方面都取得了有特色的研究成果。
6.学位论文 戴峭峰 光子晶体反射相位及其应用研究 2006
光子晶体,是一种由介质或金属周期排列而形成的人工材料。正如有电子禁带存在的硅材料是现代电子工业得以蓬勃发展的物质基础一样,具有光
子禁带的光子晶体将为光子学的发展开创新的前景。光子晶体被比喻为光子学中的硅材料。由于其崭新的性能和潜在的巨大应用前景,光子晶体已成为
当今国际范围的一个研究热点。 鉴于目前对光子晶体的研究中,对透射或反射光的频率和振幅研究较深入。而作为表征光波的重要参数,透射或
反射光的相位,却很少有文献报道。我们以光子晶体反射光的相位性质作为研究的主要对象,系统地研究了光子晶体的反射相位特点及其应用。
主要工作包括: 1、为了计算反射相位和设计器件,我们编写了用于计算的时域有限差分(FDTD)程序,程序运行稳定;我们对二维传输矩阵方法
(TMM)进行了二次开发使之可以方便计算各阶透射、反射光的相位。 2、研究了一维光子晶体的反射相位特点,给出了一维全角高反光子晶体的反
射相位性质,这性质在用高反镜反射椭偏光时必须考虑。发现一维光子晶体缺陷模的相位性质可用作为灵敏的相位调节器和相位控制器的潜在应用价值
。 3、研究了当只有0阶反射波为可传播模时,在正入射情况下,从二维光子晶体反射带的下带边到上带边反射相位变化为π,但是不同反射带在
带边和带内的相位值是不同的,我们用带边的布洛赫模在元胞边界的电磁场分布分析了原因。而且,我们发现反射光的相位在带隙内变化平缓,且两个
偏振之间的相位差可以在很宽的频率范围保持一致。利用此特点,提出了一种基于光子晶体相位特性的宽带波片等相位延迟器。这种宽带相位延迟器解
决了现有通用相位延迟器仅工作于单波长和现有相位延迟器难以集成等亟待解决的问题。 4、研究了高阶反射波可传播时,二维光子晶体的反射相
位特点。发现各阶反射相位具有独特的对称性,我们发现这种对称性的物理本质源自光子晶体沿表面的平移周期性。 5、由于在反射带内,入射光
电磁场能量最强的位置出现在光子晶体表面层附近,反射相位对表面的扰动将会很敏感,我们通过对光子晶体的表面修饰,实现了对反射相位的自由设
计,这对于利用相位来设计器件是很重要的。 6、Goos-Hanchen(GH)位移,是指光束在发生全反射时,反射光束的位置偏离几何光学所预言位置的
距离,通常为波长大小,而此位移被认为与慢光速、超光速有联系。对于二维光子晶体,通过对反射相位的设计,我们实现了反射光的正和负的巨Goos-
Hanchen位移,此位移可以到十几个波长。这对应用来说是非常重要和有意义的。我们解释了引起这种巨Goos-Hanchen位移的原因。
7.学位论文 朱志宏 用时域有限差分方法(FDTD)研究光子晶体传输特性 2002
该文将时域有限差分方法用于光子晶体传输特性理论研究,分别用Fortran和VisualC++完成了二维方型、三角型光子晶体的计算程序.最后,根据光子
晶体的标度不变性特征,在微波频段制作了二维方型光子晶体,并测量了透射谱.实验结果与理论结果取得了一致.对应于一定的入射方向,给出了光子晶体
的透射率和反射率频率分布;并依据此透射率频率分布,直观地给出了不同频率段(禁带中和禁带外)的光在光子晶体中的电场分布情况;当在光子晶体中存
在波导和微腔时,给出了微腔共振频率的位置和光从微腔中耦合进波导的时间演化过程;计算结果表明:光子晶体波导耦合遵循普通介质波导耦合的一般规
律,也有定向耦合的功能,进一步的研究表明:对于不同的频率,光子晶体定向耦合器耦合系数是不同的,并且耦合系数和对应的频率之间是近似直线关系
;模拟显示:将两个具有不同耦合长度的光子晶体波导定向耦合器顺序集成在一起,可以组成一个三波长的分/合频器;另外,还给出了光子晶体波导中的能
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8.学位论文 时尧成 基于平面光波导的耦合/干涉型集成器件的研究 2008
建立在平面光波导技术之上的光器件,具有成本低、体积小、便于批量生产、稳定性好及易于与其它器件集成等优点。目前,平面光波导集成光学
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的基本理论及设计方法的基础上,提出并设计了一些新型的器件结构,利用平面光波导工艺制作了一些器件并测试了其性能。 首先对平面光波导
及其器件的模拟设计方法进行了研究。分析了用于求解光波导模场的解析方法,对传统等效折射率方法进行了改进,从波动方程出发,通过严格的数学
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分布结构。对平面光波导器件设计中常用的数值方法包括有限差分法,束传播法,时域有限差分等进行了总结,给出了各种方法的基本原理,具体的求
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向多模对器件的性能的影响,通过对输入输出波导进行taper设计,可以减小垂直方向多模的激发,使得功分器的通道均匀性,损耗等性能都得到改善。
提出了深刻蚀SiO2光波导结构,使得SiO2波导在小的弯曲半径下也能有比较小的弯曲损耗,分析了基于这种深刻蚀Si02波导的多模干涉耦合功分器,与
基于传统SiO2波导的多模干涉耦合功分器相比不仅具有较小的尺寸,同时性能也有很大的提高。 我们还提出了几种新的基于平面光波导的器件的
实现方法。通过调整三明治波导中间层SixNy的折射率以及多模波导的尺寸,成功实现了偏振不敏感的1310/1550 nm波分(解)复用器。通过在多模干涉耦
合器的多模区引入光子晶体结构,利用光子晶体的偏振敏感特性(即在某个波段,对一个偏振反射,而对另外一个偏振则透射),实现了带宽很宽,尺寸
超小的偏振分束器。利用光子晶体波导方向耦合器的解耦合特性,通过方向耦合器的级联,设计了单纤三向器件,模拟结果显示,这种单纤三向器件具
有尺寸小,带宽较大的特点。我们还总结了平面光波导器件的制作工艺
,包括光刻技术(电子束曝光),反应离子刻蚀(RIE),电感耦合型等离子刻蚀
(ICP)等。通过优化气体配比,反应功率等条件,得到了一组能提供小的表面粗糙度,高的垂直度的ICP工艺配方,同时还研究了ICP刻蚀中的迟滞效应
,并利用这种效应制作了尺寸超小的方向耦合器。制作了光子晶体W3波导,光子晶体波导腔,利用End-Fire方法对其特性进行了测试,分析和讨论。最
后还研究了干法刻蚀工艺中引入的损伤对光子晶体有源区的载流子寿命的影响,为制作光子晶体光开关,激光器奠定了基础。
9.期刊论文 朱志宏.叶卫民.季家熔.袁晓东.曾淳.张晚云 光子晶体滤波特性分析 -光子学报2004,33(6)
采用时域有限差分(FDTD)方法,研究光在含点缺陷(即微腔)和线缺陷(即波导)的光子晶体中的传输特性.计算结果表明,处于光子晶体禁带的光能被局
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"不同频率成份的波.以上计算结果,可用于光子晶体上/下载滤波器的设计.
10.期刊论文 李媛.刘曙晖.刘皎.张晓帆.LI Yuan.LIU Shuhui.LIU Jiao.ZHANG Xiaofan 利用Padé近似理论分析光
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换效率提供了一定的理论依据.
引证文献(4条)
1.詹仪.郑义.徐云峰 二维介质柱光子晶体波导的优化设计[期刊论文]-光子学报 2008(06)
2.余建立.阮小魁.沈虹君.张磬兰 高效的光子晶体6-信道下载滤波器的设计[期刊论文]-光通信技术 2008(04)
3.刘璟.郑志强.冯卓宏.黄志高 二维异质结光子晶体中含近邻点缺陷的弯曲波导的可调谐滤波特性[期刊论文]-光
学学报 2007(11)
4.王蓓蓓 光子晶体光纤传输特性的研究[学位论文]硕士 2006
本文链接:http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gtxjs200312008.aspx
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