纳米光子学 2019-第16讲 光子晶体缺陷与波导
一维光子晶体中缺陷层厚度与缺陷模的关系
一维光子晶体中缺陷层厚度与缺陷模的关系[摘要]采用传输矩阵法,分析了缺陷层厚度与缺陷模波长之间的关系，即：一 定的缺陷层厚度范围内，缺陷模的波长将随缺陷层厚度的增大而发生红移，且两者呈线性关系。利用这个关系，设计了一种精确计量微小位移的方法。 [关键词]一维光子晶体传输矩阵法缺陷微小位移测量 光子晶体（Photonic Crystal, Pc）是一种因折射率空间周期变化而具有光子能带的新型光学微结构材料。它的基本特征是具有光子带隙，频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的。利用它我们可以制造出以前无法制作的甚至是全新理论的高性能器件，如光子晶体激光器、光子晶体波导及光纤等。由于一维光子晶体具有控制光模式及其光传输的优异能力且易于制备，它在光子晶体应用中占据了重要地位。含有缺陷的一维光子晶体的特性已经有文章进行过讨论，但是就缺陷层厚度和缺陷模位置的关系尚无明确的阐述。本文对这一问题进行了研究，并利用结论设计了一种监测微小位移的方法。 一、一维光子晶体的传输矩阵分析方法 光在光子晶体中的传播服从Maxwell方程组。实际研究光子晶体的过程中比较常用的计算方法有平面波展开法、时域有限差分法、传输矩阵法等等。对于一维光子晶体，使用传输矩阵法是比较方便的。 根据法拉第电磁感应定律，可以推出单层介质膜的传输特性： 只要给出各层的参数，就能得到每一层的特征矩阵，利用（1.3）式和（1.4）式，就可以计算处一维光子晶体的透射谱。 当一维光子晶体中所包含的层数比较大时，矩阵连乘的计算量是非常大的,需要用计算机来进行计算。本文利用MATLAB程序来实现数值的计算。 二、缺陷模位置与缺陷层厚度关系的数值研究 取一维光子晶体模型参数为，高折射率层折射率,低折射率层折射率n ＝1.35，入射光中心波长λ＝1550nm，缺陷层两侧的膜周期数N＝10，缺陷层的折射率。取缺陷层厚度时，可以看到在透射谱中出现了光子带隙，带隙中含有十分尖锐的缺陷态。缺陷态的性质已有文章介绍，在这里不再讨论。 图2波长-透射率谱，缺陷层厚度d＝λ/4＝387.5nm 在光子带隙的范围内（1200nm-1800nm）扫描缺陷态的透射峰，即记录不同的缺陷层厚度d和缺陷模位置。取d的变化范围为50nm-1000nm，可以得到d
光子晶体波导慢光特性研究
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.360docs.net/doc/fe607099.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.360docs.net/doc/fe607099.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
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术
平面光波导(PLC, planar Lightwave circuit)技术 随着FTTH的蓬勃发展，PLC(Planar Lightwave Circuit,平面光路)已经成为光通信行业使用频率最高的词汇之一，而PLC的概念并不限于我们光通信人所熟知的光分路器和AWG，其材料、工艺和应用多种多样，本文略作介绍。 1.平面光波导材料 PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。 图1. PLC光波导常用材料 铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。 InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。 二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。 SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。 聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。 玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
表1. PLC光波导常用材料特性 2.平面光波导工艺 以上六种常用的PLC光波导材料中，InP波导、二氧化硅波导、SOI波导和聚合物波导以刻蚀工艺制作，铌酸锂波导和玻璃波导以离子扩散工艺制作，下面分别以二氧化硅波导和玻璃波导为例，介绍两类波导工艺。 二氧化硅光波导的制作工艺如图2所示，整个工艺分为七步： 1)采用火焰水解法（FHD）或者化学气相淀积工艺（CVD），在硅片上生长一层SiO2，其 中掺杂磷、硼离子，作为波导下包层，如图2（b）所示； 2)采用FHD或者CVD工艺，在下包层上再生长一层SiO2，作为波导芯层，其中掺杂锗离 子，获得需要的折射率差，如图2（c）所示； 3)通过退火硬化工艺，使前面生长的两层SiO2变得致密均匀，如图2（d）所示。 4)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图2（e）所示； 5)采用反应离子刻蚀（RIE）工艺，将非波导区域刻蚀掉，如图2（f）所示； 6)去掉光刻胶，采用FHD或者CVD工艺，在波导芯层上再覆盖一层SiO2，其中掺杂磷、 硼离子，作为波导上包层，如图2（g）所示； 7)通过退火硬化工艺，使上包层SiO2变得致密均匀，如图2（h）所示。 图2. 二氧化硅光波导的制作工艺 玻璃光波导的制作工艺如图3所示，整个工艺分为五步： 1)在玻璃基片上溅射一层铝，作为离子交换时的掩模层，如图3（b）所示； 2)进行光刻，将需要的波导图形用光刻胶保护起来，如图3（c）所示；
平面集成光波导器件综述
平面集成光波导器件综述 1 引言】 光纤通信网络中使用了多种光器件和光电器件.这些器件中的光学部分通常为三种结构：微光学结构、纤维光学结构和集成光学结构。1969年https://www.360docs.net/doc/fe607099.html,ler首先提出集成光学器件的设想，即在一个细小的基片上实现光发射、光探测、光耦合、光分支、光波分复用、光滤波、光开关等一种和几种功能，达到器件的微型化和实现高功能密度。平面光波导技术和平面微制造技术的成功结合使这一设想变为现实。历经三十年的研究开发，目前已有一些平面集成光波导器件达到了商用化。 【2 制作器件的主要材料】 制备这些光器件和光电器件的主要材料有：InGaAsP/InP、SiO2、Si、LiNbO3和某些聚合物材料。表1 给出这几种材料的基本特性。 InGaAsP/InP是其中唯一的兼有有源和无源功能的材料，因而一直是单片集成光/光电器件研究开发的首选对象。以Si光波导为基础的混合集成收发信机已商品化。Si波导除了有很好的无源光学特性外，还具备载流子控制型的光电调制特点。聚合物材料波导光开关已产品化，聚合物材料波导无源器件也已取得重大进展。SiO2波导可用于制作性能优良的无源器件，由于制备器件所必须的理论设计、技术设备、工艺水平、材料来源等均已成熟或基本成熟，因而已形成以SiO2波导平面光波导线路（PLC）为基础的光集成器件规模生产。同时SiO2波导可以实现与有源器件的混合集成。SiO2 PLC的应用价值越来越受到关注，下面主要就SiO2 PLC器件和制造方法作一些基本介绍。 【3 二氧化硅波导基本工艺】 有几种代表性的二氧化硅波导制备技术，分别是：火焰水解（FHD）＋反应离子刻蚀（RIE），化学气相沉积（CVD）＋RIE，物理气相沉积（PVD）＋RIE。其中FHD采用SiCl4、GeCl4为主要原料，通过氢氧焰提供的高温，与氧反应生成SiO2、GeO2微细粉末层，而后在1300℃左右的高温中退火形成光学薄膜，其中GeO2等作为掺杂物质控制导波的折射率。CVD采用硅烷、锗烷或SiCl4、GeCl4,通过射频源激活与氧在等离子体状态下反应形成光学薄膜。PVD以电子束蒸发或溅射方法沉积SiO2光学薄膜。RIE 对波导膜进行导波线路的刻制。薄膜必须具有高的光学质量，因为光波是平行于薄膜表面传播的，路径通常有几厘米。薄膜尤其要有很好的折射率均匀性，因为控制光传输方向的导波层折射率n+苙与覆盖层（n）的折射率的差（苙）是很小的，苙/n在一定范围是单模条件所要求的，如n＝1.46, 苙＝0.0037，由此可知， 折射率均匀性要高，否则波导的质量无法保证。 【4 二氧化硅光波导器件】 4.1 SiO2 PLC的基本单元 平面波导器件的线路可以设计得很复杂，但基本上是由以下的基本单元构成的（图1）。直条、分支、弯曲、交叉是最简单和常用的。间隙是指在波导路径上刻出一段10祄左右的空间，插入滤波片等微小元件，以提高器件的指标。耦合是相距几祄的两波导间通过模场的相互作用，使光传输路径或强度发生改变。相移单元是利用SiO2折射率的热敏特性n（T），通过局部加热电极使n改变从而改变光的有效光程也即改变相位，热光开关就是根据这一原理制作的，例如dn/dT＝1×10－5时，10mm长的波导升温6.5℃，即产生180度相移（1.55祄）。应力单元是指在一波导的附近刻出沟槽或镀膜，使该波导局部所受应力发 生变化，从而调节器件的性能。
光子晶体缺陷模研究
光子晶体缺陷模研究 1 引言 在过去的几年中，光子晶体（photonic crystals）[1-2]因其具有控制光子的运动的能力而备受关注[3]。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”（photonic band gap）[4-5]；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点缺陷后，由于这些点缺陷对原有的空间对称性产生微扰，形成一个微腔，微腔有自己的共振频率，使得原来不透电磁波的禁带中出现了共振模,即某一波长的电磁波可以透过。本文将时域有限差分方法（FDTD）[6-7]作为光子晶体缺陷模理论研究的工具，以二维方型方型光子晶体TM模为研究对象，给出了一些模拟计算结果。FDTD方法能够很直观地给出精确的结果，因为它是直接对麦克斯韦方程进行离散处理，没有过多可能导致计算误差的假设，它能处理任意几何形状的光子晶体，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。我们还设计了实验，用FDTD方法得出的理论结果与实验一致。 2 理论部分 2．1光子晶体中的麦克斯韦方程 光子晶体的理论研究问题，可以归结为光在光子晶体中的传播问题，于是可以由宏观麦克斯韦方程组来求解。光子晶体的麦克斯韦方程组为 式中是光子晶体的介电常数，它是空间坐标的函数;有关光子晶体的有关理论计算的焦点问题就是如何由已知的介电常数的分布求解上面的麦克斯韦方程组。 2．2 时域有限差分方法
用FDTD方法求解上面的麦克斯韦方程组的具体方法是：将其在直角坐标系中展开成标量场分量的方程组，然后用二阶精度的数值差商代替微商，将连续的空间和时间问题离散化，得到标量场分量的差分方程组；由数值色散关系和我们所关心的光波长大小来确定空间离散步长的大小，进而用此空间步长将我们所要研究的光子晶体沿坐标轴向方向分成很多Yee氏网格单元；求出每一个网格点的有效介电常数；由空间步长和时间步长所满足的数值稳定性条件关系，得出相应的时间步长。 2．3 边界条件 我们用时域有限差分方法研究光子晶体的传输特性时，我们关心的计算区域是有限的，它就是光子晶体的体积所占有的空间；当然我们也可以将我们关心的计算区域通过一定的方式无限扩展，形成一个无限的空间，但是，计算机的存储空间和计算速度却不是无限的；所以，总之，我们要处理的问题空间是有限的，是有边界的。但是，用时域有限差分求解电磁场问题时假定问题空间是无限大的，即是开放的系统。这就产生了矛盾，为了解决这种矛盾，也就是为了让这种有限的空间和无限的空间等效，需要对有限空间的周围边界做特殊处理，使得向边界行进的波在边界处保持“外向行进”的特征，无明显的反射，就象被一个巨大的“黑洞”吸收一样。具有这种功能的边界条件，称之为吸收边界条件。在我们的计算程序中，由于是正入射，我们使用的是对正入射有较高精度的Mur二阶吸收边界条件[8]。 3 实验装置 为了验证二维光子晶体FDTD理论计算的结果，根据光子晶体的标度不变性特征，我们设计了如图2所示的微波实验装置，它由自动微波矢量网络分析仪HP8510C.07.00（ANA）、微波发射和接受天线以及实验平台组成。 4 结果与分析
集成光波导
集成光波导 姜雨萌 12204107 集成光学是关于如何在基片上构造光器件与光网络的学科，与电子集成电路技术相类似。通常，也用集成光电子学与集成光子学来描述这个领域。光子学本身就是光学与电子学相结合产生的学科。集成光学提供将光器件与电器件组合在同一衬底上，以便制造出具有特定功能的系统或子系统知识。集成光器件的尺寸通常在光波长量级，并且具有集成电路的许多优点，如工作稳定、尺寸小以及潜在的低成本。利用集成光学技术，可以设计完整的光发送机、接收机以及中继器，通过光纤实现长距离的光互连。 电磁波主要在中间层传输，其折射率为n1。中间层通常很薄，一般小于一个微米，称为薄膜。薄膜夹在折射率分别为n2和n3的敷层与衬底之间。光线通过内全反射被束缚在中心薄膜中。只有当n2和n3都小于n1时才会发生内全反射。可求得衬底界面上的临界角为 1sin 2n n c =θ, 敷层界面上的临界角可由下式求出1 3sin n n c =θ。
中心薄膜的不均匀性也会使光产生散射从而增加损耗。为了有效地传播光信号，材料的吸收损耗必须很低。对n2=n3的对称结构，我们尤其感兴趣，因为这与光纤的结构很相似。与其类似。光纤由折射率为n1的纤芯以及折射率为n2，包围纤芯的包层组成。n3=1.0的非对称波导也比较重要，这也就是顶部露在空间的集成光路结构。这种情况下，n2是衬底的折射率。 中心薄膜的场是平面波，按角度θ向上传播，另一个以相同角度向下传播。这些波的传播因子可写成k=10n k ,其中，0k 是自由空间的传播因 子。 若被导波的净传播方向是在水平方向上。传播因子在这个方向上的分量为θθβsin sin 10n k k ==，通常称之为纵向传播因子。 折射率的定义是光在自由空间的速度与其在无界介质中的速度的比值。等效折射率eff n 等于自由空间中的光速度与波导中的相速度之比， 也就是ωβ/c n eff =。
光子晶体及其器件的研究进展
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
SOI光波导器件研究进展及应用
SOI光波导器件前沿研究 光电信息学院 赵正松 2011059050025摘要：SOI（Silicon-on-insulator绝缘衬底上的硅）是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料，SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点，近年来随着SOI晶片制备技术的成熟,SOI 基波导光波导器件的研究日益受到人们的重视.介绍了弯曲波导、光耦合器、可 调谐光衰减器、光调制器和光开关等常见的SOI基光波导器件的一些研究进 展。 引言：光纤通讯网络中，波分复用（WDM）是提高传输速率和扩大通讯容量的理想途径:通过在单根光纤中多个波长的复用，可以充分利用光纤巨大的带宽资源,实现不同数据格式信息的大容量并行传输，同时又可降低对器件的超高速要求。 在WDM网络中，网际间交叉互联（OXC）光信号上下载路（OADM）,以及波长变换等关键技术的实现使得WDM 网络具有高度的组网灵活性、经济性和可靠性。 在WDM光网络中，网际OXC和节点OADM功能是最核心的技术，光滤波器、光耦合器、光开关、可变光衰减器、波长变换器、复用与解复用器等是最关键的器件[1].在基于各种材料的光波导器件中,硅基光波导器件格外引人注目。 硅基光波导材料有SOI絶缘体上的硅）、SiO2/Si和SiGe/Si等多种.硅基光波 导的优势在于:硅片尺寸大、质量高、价格低;硅基光波导材料具有较大的折射率差，便于缩小器件尺寸和实现平面光波回路（PLC单片集成；电学性能好，易于控制, 具备光电混合集成的潜力;机械性能好,加工方便,可以光刻腐蚀成各种三维光波导结构；硅的热导性和热稳定性好,可以直接用作集成芯片的热沉,器件封装结构简单.最重要的是硅的加工工艺与传统微电子工艺兼容,适合低成本制作硅基光电子集成（OEIC芯片。 本文主要研究的SOI硅基光波导材料全名为Silicon On Insulator是指硅晶体管结构在绝缘体之上的意思，原理就是在Silicon （硅）晶体管之间，加入绝缘体物
一维缺陷光子晶体多个禁带中的窄带缺陷模
第４０卷第４期２０１０年４月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖ０１．４０．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ，２０１０ 文章编号：１００１－５０７８（２０１０）０４－０４２２－０５?光学材料器件与薄膜?一维缺陷光子晶体多个禁带中的窄带缺陷模 于志明１，廖树帜２ （１．连云港师范高等专科学校物理系，江苏连云港２２２００６；２．湖南师范大学物理与信息科学学院，湖南长沙４１００８１） 摘要：用特征矩阵法研究了一维缺陷光子晶体的透射谱。结果发现：在一维缺陷光子晶体的透射谱中的多个禁带内都有窄带缺陷模，窄带缺陷模的波长越大，其宽度越大；当入射角增大后，波长越长的窄带缺陷模的强度变化越小，位置向短波方向移动越多，且Ｓ偏振光与Ｐ偏振光的窄带缺陷模的分离越大；增大一维缺陷光子晶体中周期性介质的厚度，窄带缺陷模的波长和移动的范围都增大。本研究对一维缺陷光子晶体的窄带缺陷模的选择使用具有重要意义。 关键词：一维缺陷光子晶体；窄带缺陷模；特征矩阵 中图分类号：０４３２．２文献标识码：Ａ Ｍａｎｙｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ１一Ｄ ｄｅｆｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ ＹＵＺｈｉ．ｍｉｎ９１。ＬＩＡＯＳｈｕ．ｚｈｉ２ （１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，ＬｉａｎｙｕｎｇａｎｇＴｅａｃｈｅｒｓ’Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｎｙｕｎｇａｎｇ２２２００６。Ｃｈｉｎａ； ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｕｎａｎ ＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆ１一Ｄｄｅｆｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｅｃｒｙｓｔａｌｈａｓｂｅｅｎｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｅｉｇｅｎｎｍｔｒｌｘｍｅｔｈｏｄ．１１Ｉｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：ｉｎｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｎｕｎ，ｔｈｅｒｅ肿ａｎｕｍｂｅｒｏｆｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓ，ａｎｄｔｈｅｌｏｎｇｅｒｔｈｅｗａｖｅ－ ｌｅｎｇｔｈｏｆｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓａｒｅ．ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｗｉｄｔｈｓｏｆｎａｒｒｏｗ ｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓｃｏｕｌｄｂｅ；ｗｈｅｎｔｈｅｉｎｃｉｄｅｎｔａｎｇｌｅｉｎ— ｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅｌｏｎｇｅｒｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓｉｓ，ｔｈｅｓｍａｌｌｅｒｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆＩＩ脚Ｃ＊ｆＯＷ ｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓｃｈａｎｇｅｓ， ｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓｍｏｖｅｓｔｏｔｈｅｓｈｏＲ－ｗａｖｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｇｒｅａｔｅｒｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＳ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅ访ｍＰ－ｐｏｌａｒｉｚｅｄｌｉｇｈｔｎａｌＴＯＷｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｃｏｕｌｄｂｅ；ｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｐｅｒｉｏｄｉｃｍｅｄｉｕｍｏｆｌ—Ｄｄｅｆｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ，ｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ０ｆｎｌＬｒＴＯＷｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｔｈｅｍｏｂｉｌｅ∞ｏｐｅｓｏｆｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅｓａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｏｏ．ｎｉｓｓｔｕｄｙｈａｓｍａｄｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｓｅ璐ｅｏｆｃｈｏｏｓｉｎｇａｎｄｕｓｉｎｇｔｈｅｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔ ｍｏｄｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１一Ｄｄｅｆｅｃｔｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ；ｎａｒｒｏｗｄｅｆｅｃｔｍｏｄｅ；ｅｉｇｅｎｍａｔｒｉｘ １引言 在一维光子晶体中加入一定的缺陷层而形成一维缺陷光子晶体，在一维缺陷光子晶体的禁带中会出现很窄的透射峰，该透射峰称为窄带缺陷模。窄带缺陷模的位置、强度、品质因数、偏振性等会随缺陷层的厚度、折射率、入射光的入射角等参数的变化而变化，可以在超窄带滤波¨。２Ｊ、温度测量＂Ｊ、应力测量¨Ｊ、压力测量∞１和角度测量【６１等方面发挥重要作用。我们的研究发现，在不考虑介质色散的情况下，在一个一维缺陷光子晶体的透射谱中，可以在多个禁带内同时出现窄带缺陷模，而先前人们的研究中所关注的往往只是其中之一。本文对一维缺陷光子晶体的透射谱中多个窄带缺陷模出现的规律、周期性介质的厚度对各窄带缺陷模的影响、同一缺陷光子晶体中的多个窄带缺陷模的比较等加以研究， 作者简介：于志明（１９６０一），男，教授。主要从事大学物理的教学和研究。Ｅ—ｍａｉｌ：８８００２３７＿ｃｎ＠ｓｌｎａ．ｃｏｒｎ 收稿日期：２００９—１０—１６ 万方数据
集成光波导
集成光波导型(AWG ) 以光集成技术为基础的平面波导型波分复用器件，具有一切平面波导的优点，如几何尺寸小、重复性好（可批量生产）、可在掩膜过程中实现复杂的支路结构、与光纤容易对准等。 目前集成波导型的波分复用器件有多种实现方案，其中以龙骨型的平面波导应用最多。它由二个星形耦合器与M 个非耦合波导构成，不等长的耦合波导形成光栅而具分光作用，两端的星形耦合器由平面设置的二个共焦阵列波导组成。如图3.2.2所示。 （1）．AWG 的优点 ①．分辨率较高。 ②．高隔离度 ③．易大批量生产。 因为具有高分辨率和高隔离度，所以复用通道的数量达32个以上；再加上便于大批量生产，所以AWG 型的波分复用器件在16通道以上的WDM 系统中得到了非常广泛的应用。 (2)．AWG 的缺点 插入衰耗较大，一般为6~11dB 。 带内的响应度不够平坦。 4．光栅型 光栅型波分复用器件属于角色散器件。当光入射到光栅上，由于光栅的角色散作用可以使不同波长的光信号以不同的角度出射，[url=https://www.360docs.net/doc/fe607099.html,/]魔兽sf[/url]然后可再用自聚焦透镜把光信号会聚到不同的光纤中输出，如图3.2.3所示。 （1）．光栅型波分复用器件优点 ①．高分辨率 3.2.2图：AWG 波分复用器件
其通道间隔可以达到30GH Z以下。 ②．高隔离度 其相邻复用光通道的隔离度可大于40 dB。 ③．插入衰耗低 大批量生产可达到3~6dB，且不随复用通道数量的增加而增加。 ④．具有双向功能，即用一个光栅可以实现分波与合波功能。因此它可以用于单纤双向的WDM系统之中。 正因为具有很高的分辨率和隔离度，所以它允许复用通道的数量达132个之多，故光栅型的波分复用器件在16通道以上的WDM系统中得到了应用。 （2）．光栅型波分复用器件的缺点 ①．温度特性欠佳 其温度系数约为14pm /°C。因此要想保证它的中心工作波长稳定，在实际应用中必须加温度控制措施。 ②．制造工艺复杂，价格较贵。 5．光纤布喇格光栅型（FBG） 利用紫外线光干涉的方法可以在光纤芯中形成所谓布喇格光栅。 [url=https://www.360docs.net/doc/fe607099.html,/]魔兽私服[/url]当含有多个波长的光波输入后，利用布拉格光栅就可以把某波长的光分离出来，如图3.2.4 a)所示。 利用普通的光分路器与多个光纤布喇格光栅就可以构成WDM系统使用的分波器，如图3.2.4 b)所示。 光纤布喇格光栅型波分复用器件的优点： ①．具有相当理想的带通特性，带内响应平坦、带外抑制比高； ②．温度特性较好，其温度系数可以与介质膜干涉滤波器型相媲美。
光波导理论与技术 大学课件
光波导理论与技术大学课件 06 年复习题 x E y x t Ay cos t1. 已知一平面电磁波的电场表达式为 c ， 写出与之相联系的磁场表达式。(提示:利用麦克斯韦尔方程，注意平面波的特点) 2E 1 2E2. 证明平面电磁波公式 E A cost kx 是波动微分方程 0 的解。 x 2 v 2 t 23. 在直角坐标系任意方向上以角频率传播的平面波为 E A exp j t k r ，根据波动方程 2 2E ，导出用角频率、电容率、导磁率0 表示平面波的传 E 0 2 0 播常数 k。 t4. ?璧ド矫娌ㄓ?E A exp j t kz 表示，求用电容率、导磁率0 表 示的该平面波传播速度。(提示:考虑等相位面的传播速度)5. 用文字和公式说明电磁场的边界条件。6. 设时变电磁场为 A xt A x sin ωt ，写出该电磁场的复振 幅表示式，它是时间的函数还是空间的函数,7. 分别写出麦克斯韦尔方程组和波动方程的时域与频域的表达式。8. 说明平面波的特点和产生的条件。9. 写出平面波在下列情况下的传播常数或传播速度表示式: 1 沿任意方向的传播速度; 2 在折射率为 n 的介质中的传播常数; 3 波矢方向与直角坐标系 z 轴一致的传播常数。10. 平面波波动方程的解如下式，说明等式右边两项中正负号和参数 k 的物理意义。 E x z ， t E e j t kz E e j t kz11. 说明制成波片材料的结构特点，如何使波片成为 1/4 波片和 1/2 波片12. 如果要将偏光轴偏离 x 轴度的线偏振光转变 成 x 偏振光，应将/2 波片的主轴设定为偏离 x 轴多大角度13. 什么是布儒斯特 起偏角,产生的条件是什么14. 光波在界面反射时，什么情况下会产生半波损失15. 如何利用全反射使线偏振光变成园偏振光,16. 什么是消逝波,产生消逝波的条件是什么,17. 什么是相位梯度,它与光波的传输方向以及介质折射率是什么关系,18. 在非均匀介质中如何表示折射率与光线传播方向的关系,19. 光纤的数值孔径表示 什么,如何确定它的大小20. 在下列情况下，计算光纤数值孔径和允许的最大入射 角(光纤端面外介质折射率n1.00): 1 阶跃折射率塑料光纤，其纤芯折射率 n1
几种典型光子晶体波导器件及应用
第2期 2017年4月 微处理机 MICROPROCESSORS No.2 Apr. ,2017 ?大规模集成电路设计、制造与应用? 几种典型光子晶体波导器件及应用* 金伟华\吕金光2,王维彪2,梁中翥2,秦余欣2,梁静秋2 (1.国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，北京100083; 2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春130033) 摘要:光子晶体是一种周期性的人工微结构，由不同介电常数的材料在空间周期性排列构成。 光子晶体具有光子禁带和光子局域特性，依据光子晶体结构设计和制作的二维光子晶体器件具有微 型化、高集成度和性能优良的优点，在大规模集成光路和全光网络中具有十分重要的应用前景。重点 介绍了几种典型的二维光子晶体器件的结构特点和应用，分析了设计与制作二维光子晶体器件过程 中存在的一些关键问题与难点，并总结了该领域的研究进展和发展趋势。 关键词：光子晶体；二维光子晶体;波导；光子晶体器件;集成光学；光通信;全光网络 DOI： 10.3969/j.issn.1002 - 2279.2017.02.001 中图分类号:TN256;O431.1 文献标识码:B文章编号：1002-2279-(2017 )02-0001-07 Development of Two Dimensional Photonic Crystals and Devices Jin Weihua1,Lv Jinguang2,Wang Weibiao2,Liang Zhongzhu2,Qin Yuxin2,Liang Jingqiu2 (l.Optoelectronics Technology Invention Examination, Department, PECC, SIPO, Beijing 100083, China; 2.State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China) Abstract：Photonic crystal is a kind of artificial microstructure in which the materials with different dielectric constant arrange periodically in space.The two dimensional photonic crystals devices,designed and fabricated based on the photonic band gap and the photon localization,show the advantages of compact structure,high integration level and the excellent optical functionalities,and will play an important role in the future integrated photonic/optical circuit and all-optical networks.An overview of the development of two dimensional photonic crystals devices is presented.The key problems in designing and fabricating two-dimensional photonic crystals devices are discussed,and the progresses in this field are also presented. Key words：Photonic crystals;Two dimensional photonic crystals；Waveguide；Photonic crystals devices；Integrated optics；Optical communication；All-optical networks i引言 自从 1987 年 E.Yablonovich 和 S.John提出了光子晶体的概念，光子晶体就得到了国内外学者的 广泛关注和深入研究。光子晶体是一种周期性的人 工微结构，由具有不同介电常数的材料在空间按照 一定的方式周期性排列构成。光子晶体对电磁波的 调制作用和半导体晶体中周期势场对电子的调制作 用类似，当电磁波通过光子晶体时，光子晶体中有序 排列的介电结构将会使电磁波发生布拉格散射，从而使光子晶体产生能带分裂，进而出现光子带隙。当电磁波的频率正好位于光子晶体带隙区域时，电磁 波将会被晶体反射而不进入晶体。因此，光子能带之 间的光子带隙能够使人们控制光子在光子晶体中的 传输。光子带隙的产生及带隙宽度、带隙位置等性质 与光子晶体的结构、介电常数差、填充比及介质的连 通性等特征有关，产生条件较为苛刻。除了光子带隙 外，光子局域是光子晶体的另一个重要特征。如果在 光子晶体中产生介电缺陷或发生介电无序，光子晶 体中的光子就会出现光子局域。当能带区域的一个 *基金项目：国家自然科学基金(60877031) 作者简介:金伟华(1977-)，男，河北省衡水市人，博士研究生，主研方向：光电材料。收稿日期：2016-11-23
光波导的一些基本概念
平面光波导，英文缩写PLC是英文Planar Lightwave Circuit的缩写，翻译成中文为： 平面光波导(技术)。所谓平面光波导，也就是说光波导位于一个平面内。正如大家所熟悉的单层电路板，所有电路都位于基板的一个平面内一样。因此，PLC是一种技术，它不是泛指某类产品，更不是分路器！我们最常见的PLC分路器是用二氧化硅(SiO2)做的，其实PLC技术所涉及的材料非常广泛，如玻璃/二氧化硅(Quartz/Silica/SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、III-V族半导体化合物(如InP, GaAs等)、绝缘体上的硅 (Silicon-on-Insulator, SOI/SIMOX)、氮氧化硅(SiON)、高分子聚合物(Polymer)等。 基于平面光波导技术解决方案的器件包括：分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator, VOA)、光开关(Optical switch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating, AWG)等。根据不同应用场合的需求(如响应时间、环境温度等)，这些器件可以选择不同的材料体系以及加工工艺制作而成。值得一提的是，这些器件都是光无源器件，并且是独立的。他们之间可以相互组合，或者和其他有源器件相互组合，能构成各种不同功能的高端器件，如：VMUX = VOA + AWG、WSS = Switch + AWG等(图2)。这种组合就是PLC技术的未来发展方向-光子集成(Photonic Integrated Circuit, PIC