一维光子晶体的光学传输特性分析

采用等效F P腔方法对一维光子晶体进行研究 ,计算并讨论不同周期数的一维光子晶体对光学传输特性的影响 计算结果表明 ,一维光子晶体具有光子禁带 ,表现为对光的高反射率 ;掺杂的一维光子晶体的光子禁带中央将出现频宽极窄的缺陷态 ,即光子局域 ,与复折射率和晶体周期数有密切的关系 所得结果与实验分析一致 ,证明了方法的有效性和实用性 。

光子晶体对nc-Ge/Si岛发光增强的模拟

在Si基集成光电子学的发展中，高效的Si基光源是人们不懈追求的目标。但是Si材料的间接带隙特性导致其发光效率低，更谈不上受激发射。于是人们探索了多种Si基材料体系来提高Si材料的发光效率，并在不同程度上取得了重要的进展。在众多的Si基发光材料体系中，Ge／Si量子点材料，不仅生长工艺与标准的CMOS工艺有很好的兼容性，而且发光波长能够覆盖重要的光通信波段即1．3—1．55μm，因此成为实现Si基发光器件的重要途径之一。但是目前这种材料的发光效率仍很低，所以提高其发光效率自然成为人们关注的焦点。如果将光子晶体引入到nc—Ge／Si材料中，它不仅可以改变材料本身的自发发射特性，而且可以改变发射的光子的提取效率，从而使材料的发光效率得到增强。提出了在Ge／Si量子点材料中引入光子晶体结构来提高其发光效率，包括光子晶体点缺陷腔结构和带边模式工作的完整光子晶体结构，并从理论上分析了发光效率提高的原理。针对发光波长在1．5μm附近的材料结构，模拟出了相应的光子晶体的结构参数。从模拟结果可以看出，对于缺陷腔的光子晶体结构，采用单点缺陷微腔很好地实现了单模运作，但是微腔内有源材料的体积很小，因此得到的发光效率很低。而采用耦合缺陷腔的结构和H2腔都增加了腔内有源区的体积。但是耦合腔与H2腔相比，谐振腔模减少，主谐振模式的峰值强度增加，更容易实现单模发光。因而更适用于提高nc—Ge/Si的发光效率。而带边模式工作的光子晶体结构，尺寸较大，不需引入缺陷，工艺上更容易实现。

206GHz光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔的模式选择功能,实现光子晶体谐振腔回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合,并成功抑制了模式竞争。通过对光子晶体谐振腔禁带特性的分析,定出了工作模式为TE23模,还建立了光子晶体谐振腔回旋管的等效半径的概念,设计了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE23模能有效地与电子的二次回旋谐波相互作用,其耦合频率为206GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该二次谐波光子带隙谐振腔(PBGC)回旋管振荡器进行了参数优化,得到了电压40kV、电流4.2A、磁场3.925T、输出功率35kW、互作用效率21%的二次谐波TE23模PBGC回旋管振荡器。

二维三角晶格光子晶体三通道解波分复用器

为了实现结构紧凑、高透射率的解波分复用功能,在二维三角晶格光子晶体平板上设计了一个ψ形的三通道解波分复用器.通过在该光子晶体结构中引入合适的线缺陷和点缺陷,使得在光子禁带中出现了局域缺陷态.利用该缺陷态模式,可以控制波的传播和耦合,从而实现解波分复用的功能.通过用平面波扩展法和时域有限差分法对此解波分复用器进行了能带和传输特性分析,找到了具有合适缺陷态频率的光子晶体结构参量,实现了透过率高达80%的解波分复用功能.

三次谐波光子带隙谐振腔回旋管

分析了光子晶体谐振腔(PBGC)的模式选择功能,实现PBGC回旋管振荡器高阶电磁模与高次电子回旋模的有效耦合。通过对PBGC禁带特性的分析,定出了工作模式TE34模,并成功抑制了模式竞争。文中建立了PBGC回旋管的等效半径的概念,完成了自洽非线性理论和相关的计算机数值模拟程序。研究发现TE34模能有效地与电子的3次回旋谐波相互作用,其耦合频率为130.5GHz,并极大地降低了对工作磁场的要求。在考虑诸多物理因素影响的情况下,对该3次谐波PBGC回旋管振荡器进行了参数优化研究,得到了参数为:电压430kV、电流35A、磁场1.84T、输出功率1.75MW、互作用效率11.5%的3次谐波TE34模PBGC回旋管振荡器。

线缺陷构成的二维T型光子晶体波导特性研究

对由线缺陷构成的T型光子晶体波导,利用时域有限差分法(FDTD)和平面波展开法(PWM)研究了光波在其中的传播规律,并通过模式耦合理论(CMT)计算了其传输和反射等性质,结果表明只有满足模式匹配条件时,才能得到很高的光传输效率。计算了线缺陷的光子晶体能带特性,模拟光波在光子晶体直角转折传播的场图,得到了电磁场Ey分量的三维立体图以及在y-z和x-z面内的分布图。模拟结果显示,光波在T型光子晶体波导中传播时的损耗非常低,光波频率处于光子带隙时,光基本上沿波导传播,只有很少的一部分到达周围的晶格之中,而且分支波导中场强基本相等。

2维光子晶体谐振腔的分析与模拟

为指导光子晶体谐振腔的设计,运用3维电磁场仿真软件HFSS模拟了2维光子晶体谐振腔,分析了影响2维光子晶体谐振腔的主要特性参数,主要包括所插介质杆的排列结构、介电常数及其半径和间距。研究表明,在其它条件保持不变时,若增大介质杆半径,则同一模式频率没有同一的变化规律;若增大介质杆介电常数,则出现的规则模式减少,并且没有基模出现,同一个模式,频率明显降低;若增大介质杆间距,则计算的频率间隔减小,对其它参数影响不大,只是同一模式的频率略有减小。

THz波段光子晶体谐振腔的特性分析

提出了一种适用于太赫兹器件的二维光子晶体谐振腔,分析了这种谐振腔的主要特性。采用平面波展开法进行仿真计算,通过改变二维光子晶体的晶格常数、介电常数比、填充率等研究其带隙结构、谐振频率在THz波段的变化规律。研究结果为THz波段器件的制作及THz系统的应用提供了理论依据。

用于速调管的一维光子晶体圆柱腔分析

运用ISFEL3D软件对一维光子晶体圆柱腔和金属圆柱腔进行仿真和分析。研究结果表明,一维光子晶体圆柱腔中与TM010模相邻的TM910模只存在于最外层介质中,频率间隔为213MHz,不会影响TM010模;一维光子晶体圆柱腔的特性阻抗(94.9Ω)比金属圆柱腔(129Ω)要小,但均匀性要好;在一维光子晶体圆柱腔两端连接漂移管后,TM010模所受影响很小,说明一维光子晶体圆柱腔具有较强的抗干扰能力,这是将一维光子晶体圆柱腔应用在高射频段速调管方面的前提条件。

回旋管光子带隙谐振腔冷腔电磁模式分析

利用二维三角格子金属光子带隙谐振腔代替回旋管的传统柱形谐振腔,并对腔体进行了TE波模式的计算与分析.综合考虑腔体内外的结构特征,给出了光子带隙谐振腔冷腔模式理论的研究方法,发现腔内存在单模工作的可能与条件以及非角对称情况下的电磁模式分布特征.研究结果表明,利用光子带隙谐振腔代替回旋管的传统腔体,可使回旋管在不受腔体横向尺度限制的条件下实现单模工作.这对于提高回旋管的功率容量、有效实现高次单模与高次回旋谐波耦合条件下的注-波互作用、降低工作磁场并从物理上根本改变回旋管的工作状态提供了理论依据.

光子带隙谐振腔回旋管振荡器的自洽非线性理论

定义了光子带隙谐振腔(photonic-band-gap cavity,PBGC)的等效半径,论证了使用该半径将PBGC等效为具有模式选择性的金属圆柱谐振腔的有效性,揭示了其在PBGC设计过程中的指导性作用.基于等效半径的运用,建立起光子带隙谐振腔回旋管振荡器(PBG回旋管)的自洽非线性理论,并对工作于TE32模的PBG回旋管作了理论分析和数值计算.目前的研究表明:高频电磁场沿角向呈行波或驻波的不同极化形式对PBG回旋管的注-波互作用过程具有较大的影响;较之电子回旋基波,该器件中二次谐波与TE-32模式波的互作用效率更高,提示由于PBGC优秀的选模能力,可望实现回旋管中高阶横向电磁模与高次电子回旋谐波的有效耦合,为相关研究提供了新的线索.