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光子晶体

光子晶体
光子晶体

一种高双折射光子晶体光纤的模式特性分析

张晓娟赵建林崔莉

(西北工业大学理学院光信息科学与技术研究所,陕西省光信息技术重点实验室, 陕西西安710072)

摘要应用全矢量频域有限差分法,分析了所提出的一种高双折射光子晶体光纤的模式截止、损耗、模场半径及数

值孔径等特性。数值模拟结果表明,通过设置合适的结构参量,可使这种高双折射光子晶体光纤在保持模式双折

射为10 - 3量级的前提下,能够在600~1800 nm 波长范围内保持单模传输,并且限制损耗可低于10 - 4 dB/ m 量级,

同时还可以获得较大的数值孔径,因而聚光能力增强。此外,通过采用高斯曲线拟合基模的模场分布,得到的模场

半径与实际模场半径吻合得很好。

关键词光子晶体光纤; 截止特性; 限制损耗; 频域有限差分

中图分类号TN253 ; TN929. 11 文献标识码 A doi : 10. 3788/

AOS20082807. 1379

An a l ys i s of Mode P r op e r t ies of P h ot o nic Cr ys t a l Fi be r wi t h

Hi g h Bi r ef r i n ge nce

Zhang Xiaojuan Zhao J ianlin Cui Li

( Sha n nxi Key Labor atory of Information Technology , Instit ute of Optical Information Science a nd Technology ,

School of Science , Nor t hwester n Polytechnical University , Xi’a n , Shaa nxi 710072 , Chi na) Abs t r act The mode cutoff , confinement loss , modal radius , and nume rical ape rture of photonic crystal fiber ( PCF)

with high bi ref ringence were analyzed by using full2vector finite diffe rence f requency domain ( FDFD) method. The

numerical simulation results shown that , by choosing suitable s t ructural parameters , the biref ringence of t he PCF

may reach the orde r of 10 - 3 with broad single2mode region ( 600 ~1800 nm) . A low confinement loss less than

10 - 4 dB/ m and high nume rical aperture can be obtained in a p rope rly designed geomet rical st ructure of PCF , so the

focusing ability is enhanced. Moreove r , by fit ting the dis t ribution of the fundamental mode using Gaussian curve , the

obtained modal radius agrees well with the actual one .

Key wor ds photonic crys tal fibe r ( PCF) ; cut2off p rope rty ; confinement loss ; finite diffe rence f requency domain

( FDFD)

1 引言

光子晶体光纤(PCF) 是一种将光子晶体及缺陷结构引入光纤中而形成的新型微结构光纤。PCF包层中空气孔的特殊排列结构使其呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性,如无截止波长的单模特性[1 ] 、可调的色散特性[2 ] 、大的模场面积[3 ] 、良好的非线性[4 ] 及高双折射特性[5 ] 等,因而引起了国内外广泛的关注,成为光纤通信、传感和光电器件领域的一个新的研究热点[1 - 6 ] 。相对于传统光纤, PCF 有很大的设计自由度,因此可以直接通过调整

其包层结构,设计出具有很高双折射的PCF。现阶段PCF的模式双折射已经可以达到10 - 3 量级[ 7 ] ,比普通保偏光纤至少高一个数量级。特殊结构的PCF 可以在极宽的波长范围内支持单模运行,且其单模特性与PCF 的绝对尺寸无关。对于高双折射PCF ,如果在保持高双折射的情况下,还可以在很宽的波长范围内保持单模传输,无疑是非常有用的。文献[ 8 ]曾提出了一种高双折射PCF 结构,并初步分析了该结构PCF 的模场、偏振及色散特性。但由于篇幅限制,尚未涉及其他模式特性,如截止、损耗、模场半径及数值孔径等,而这些对光纤传输特性的影响不容忽视。因此,本文在文献[ 8 ]的基础上,进一步讨论该结构PCF 的截止、损耗、模场半径及数值孔径等特性,以期通过比较分析,得到一组最优结构参量。

1 lead said

Photonic crystal fiber (PCF) is a kind of photonic crystal defect structure and will be introduced in the optical fiber and formation of new fiber microstructure. PCF packet layer of stomatal special arrangement hollow structure makes it presents many in the traditional optical fiber in the difficult features, such as no cutoff wavelength of single-mode characteristics [1], adjustable dispersion characteristics of [2], big mode field area [3], good nonlinear [4] and high birefringence characteristics [5], causing widespread concern at home and abroad, become the optical fiber communication, sensors and photoelectric device field of a new hotspot [1-6]. Compared with the traditional optical fiber, PCF have great design freedom, so can directly through the adjust the packet level structure, design with high birefringence of PCF. At present the mode of PCF birefringence can have up to 10-3 magnitude [7], than common the partial optical fiber at least one order of magnitude higher. The special structure of PCF can be in very wide wavelength range support single-mode operation, and the single-mode characteristics and the absolute size PCF is irrelevant. For high birefringence PCF, if in keep high double refraction, still can be in a wide range of wavelengths of single-mode hold in the transmission, it is very useful. [8] have put forward a kind of high birefringence PCF structure, and analyses the structure of PCF mode field, polarization and dispersion characteristics. But because of the limitation of length, has not been involved in other mode characteristics such as a globe, loss, mode field radius and numerical aperture, and the optical fiber transmission characteristics of the impact should not be ignored. Therefore, this article in [8], and on the basis of further discuss the structure of PCF deadline, loss, mode field numerical aperture radius and features, so as to through the comparative analysis, get a set of optimal structure parameter.

2 PCF 的端面结构及理论分析方法

文献[8 ]提出的PCF 端面结构如图1 所示,其中Λ为空气孔横向间距,θ为三角结构顶角,

d2 、d1分别为大、小空气孔直径。为了讨论问题方便,采用系数α表征大小空气孔的直径比。假设光纤中传输着频率为ω的单色光波, 其电场强度矢量E 或磁场强度矢量H 的坐标分量可以表示为Φ =ψexp [ i (βz - ωt) ] , 式中传播常量β=k0 neff 。相应地,将麦克斯韦方程组中的两个旋度方程按频域有限差分法在一个差分格点上进行离散化,并采用各向异性完全匹配吸收层,可得特征方程,通过求解特征方程的本征值和本征矢量,便可得到各阶模式对应的传播常量和模场分布,从而进一步分析相应的传输特性。文献[ 8 ]中计算了由(1) 式所构成的本征方程,其特征值对应传输常量β2 , 其特征向量对应横向电场分布。当采用各向异性完全匹配吸收层时,得到的传播常量β为复数,其实部与采用零边界条件[10 ] 计算得到的传播常量相同。由β的实部βr ,可以计算光纤中可能存在的模场的有效折射率( neff =βr / k0 ) ; 由β的虚部βi ,可计算出限制损耗Lloss Lloss =20ln 10βi ;同时,由模场的空间强度分布,可计算出相应模场的有效面积Aeff 、模场半径、数值孔径N A 等等。

图1 高双折射光子晶体光纤

Fig. 1 Sketch of cross section PCF with high biref ringence

2 PCF face of structure and theory analysis

method of document [8] put forward PCF end structure as shown in figure 1 show s, its Λ for air hole in horizontal spacing, θ for triangle structure anchor the d2, were large and small d1 air hole diameter. In order to discuss the problem is convenient, the coefficient α characterization of air hole diameter size than. Optical fiber transmission of the hypothesis of omega, the frequency of monochromatic wave, the electric field or magnetic field intensity vector vector E H of the coordinates of the component can be expressed as Φ = ψ exp [I (beta z-ω t)], spread constants of β = k0 ne ff. Accordingly, will the maxwell's equations of the two curl equation in the frequency domain finite difference method in a

difference lattice point on discretization, and USES the anisotropic match absorbing layer, characteristic equations, based on the characteristic equations of the eigenvalue and the eigenvalue vector, then get the order mode of constant and corresponding transmission mode field distribution, thus further analysis the corresponding transmission characteristics. [8] the calculation by (1) type that form a eigenvalue equation, its characteristic value corresponding transmission constant beta 2, its characteristic vector corresponding transverse distribution of the electric field. When the anisotropic match absorbing layer, the spread of β constant get for plural, actually department and the zero boundary conditions [10] the spread of calculated by the same constants. Real part by beta, β r, can calculate the fiber of possible mode field of effective refractive index (neff = β r/k0); The beta, imaginary part β I, can calculate the limit losses Lloss Lloss = 20 ln 10 β I; At the same time, by the space of the mode field intensity distribution, can calculate the relevant effective mode field area, Aeff mode field radius, numerical aperture N A, and so on.

3 截止特性

传统光纤中导模的折射率必须满足nclad <β/ k0

基空间填充模式的有效折射率nFSM ,代入归一化频率V 的计算公式,便得到归一化频率V 与结构参量及波长之间的关系。图2 描述了V 随波长的变化关系,图中虚线处的V 取值为π。图2 (a) 是在固定小空气孔直径d1 ,而改变空气孔直径比α时,归一化频率V 随波长的变化关系。可以看出,大小空气孔直径比α增大或者减小,对V 的影响很大, 但没有单一的增大或减小关系。也就是说,α增大时,V 有可能增大也可能减小。因此需要设置合适的结构参量, 使V 尽量小,以保持单模传输。同时模拟结果也表明,波长越长,V 越小。图2 (b) 是在固定空气孔直径比α而改变小空气孔直径d1 时得到的数值模拟结果。当d1增大时,V 值先是增大,然后减小以至与其他曲线相交。图2 (c) 是在固定其他结构参量,仅改变横纵向空气孔间距时,计算得到的V 随波长的变化关系。可以看出,间距减小, 归一化频率V 也减小。而且在顶角θ= 96°和θ= 89°时,场在600~1800 nm 波长范围内一直呈单模传输。同时,文献[ 8 ]中已得出该光纤在所选定的结构参量情况下的双折射可以达到10 - 3 量级。因此,可以认为该结构PCF 可以在宽波长范围实现高双折射。

3 the characteristics

The traditional optical fiber ZhongDao mode must meet the refractive index nclad < β/k0 < nco, nclad for the packet level the refractive index, and the nco for fiber core refractive index, neff = β/k0 mode field for the e ffective refractive index. When asked to keep the single-mode transmission, in addition to meet the above conditions outside, also must satisfy the normalized frequency conditions V = 2 π a λ n2co-n2clad < 2. 405, among them a is fiber core radius, λ for o perating wavelength. In PCF are wrapped layer by a lot of air hole is formed, and not corresponding to the traditional optical fiber bag nclad refractive index layer and fiber core nco refractive index, and therefore cannot be directly in accordance with the judgment on whether the fiber optic transmission of single mode for transmission. But the existing literature [11, 12] reported, when light in the transmission of PCF, can think of the mold meet the same relationship model refractive index, but this time the packet level with the space nclad refractive index of refraction index nFSM instead of filling mode. The filling space model (FSM) is to point to the infinite PCF the packet level structure of base model, beta FSM PCF is allowed in the packet level for the biggest propagation constant. And meet the conditions of the single-mode transmission is also different, in PCF, normalization frequency V PCF (λ) = 2 π Λ λ n2eff (λ)-n2FSM (λ) < π, (3) according to the proposed high birefringence PCF structure, dif ferent structure parameters of the simulation, and a different wavelengths of the mode field the effective refractive index neff and the filling the space model effective refractive index nFSM, generation into the normalization frequency, and the calculation formula of V gets normalization frequency V and structure parameter and the relationship between the wavelength. Figure 2 describes the changing relations between the wavelength V, chart the dotted line in the place for π values V. Figure 2 (a) is in sm all air hole diameter d1 fixed, and change in the air hole diameter ratio of α, normalization frequency with the changing relations between the wavelength V. Can see, the size of the air hole diameter ratio of α increasing or decreasing, to great effect V, but no single increase or decrease the relationship. That is, and alpha increases, the V may increase may also decrease. Therefore need to set up the right structure parameters, make V as low as possible, to

keep single-mode transmission. And simulation results indicate that the longer the wavelength, the smaller the V. Figure 2 (b) is fixed in the air than α and the diameter changes small air hole diameter d1 got when the numerical simulation results. When d1 increases, the V value increase first and then decrease that and other curve intersection. Figure 2 (c) is in the fixed other structure parameters, the only change longitudinal air hole spacing, the calculated the changing relations between the wavelength V. Can see, spacing decreases, and the normali zed frequency V also decrease. And in the dip Angle θ = 96 ° and theta = 89 °, games in 600 ~ 1800 nm wavelength range has been on a single-mode transmission. At the same time, the literature [8] has concluded that the structure parameters of the optical fiber in selected double refraction can achieve 10-3 category. Therefore, it can be argued that the structure in the wide wavelength range PCF can realize high birefringence.

图2 归一化频率V 随波长的变化关系

4 限制损耗

由于该结构PCF 具有二重旋转对称性,因此x和y 偏振的限制损耗不同,损耗曲线分离。两个偏振方向限制损耗差距大小与光纤结构和结构参量有关。当差距很小时,可以实现稳定的高双折射传输;当差距较大(如相差一个数量级) 时,不利于高双折射传输,但却为单模单偏振传输提供了可能,即通过设置结构参量使一个偏振方向的损耗很大以至于完全损耗,从而只能稳定传输一个偏振方向的光波。图3 为结构参量Λ= 2μm , d1 = 0. 8μm ,α= 3 ,θ= 96°时, x 和y 偏振的限制损耗随波长的变化。可以看出,λ < 1600 nm 时, 限制损耗很小;

λ >1600 nm 时,限制损耗显著增加。分析其原因主要是由于计算时包层空气孔数目(即包层

层数) 设置较少,波长越长,场越向包层延伸,因而限制损耗明显增大。固定其它结构参量,当包层设置为两层,工作波长为1550 nm 时,两个偏振模式的限制损耗分别为:0. 094 dB/ m 和0. 064 dB/ m;而当包层设置为三层,工作波长为1550 nm 时,得到的限制损耗明显减小,分别为2. 88 ×10 - 5 dB/ m 和1. 34 ×10 - 4 dB/ m。从制作的角度来看,包层数目越少越好。因此,在设计PCF 结构时,应尽可能地减少包层数目,以减少制作的困难,同时保持限制损耗尽量小。

图3 x 和y 偏振对应限制损耗随波长的变化

模拟结果还表明,采用不同的结构参量( d1 、α和θ) ,可使光在PCF 中传输时的限制损耗差别很大。图4 给出了不同结构参量情况下, x 偏振基模的限制损耗随波长的变化关系。可以看出,小空气孔直径d1 、大小空气孔直径比α及三角结构顶角θ减小时,限制损耗明显减小。其主要原因是d1 、α、θ增大,将导致包层等效折射率增大,从而使纤芯和包层折射率差减小,模场更多地分布在包层,于是限制损耗增加。

图4 限制损耗随波长的变化关系

4 limit losses

Because the structure PCF with double rotational symmetry, so the x and y polarization loss of different restrictions, loss curve separation. The two polarization direction restriction gap size and optical fiber structure loss and structure parameters relevant. When the gap is hours, can realize the stable high birefringence transmission; When the big gap (such as differ a orders of magnitude), go against high birefringence transmission, but for single mode single polarization transmission possible, that is, through the structure parameters set a polarization direction of the losses that completely loss, which can only stable transmission a polarization of light waves. Figure 3 for structure parameter Λ = 2 μ m, d1 = 0 μ m, and alpha = 3, θ = 96 °, x and y limit the wavelength of the polarization loss of change. Can see, λ < 1600 nm, limit losses small; λ > 1600 nm, limit losses significantly increased. The main reason is because analysis computation of air bag number hole, or packets layers) set less, the longer wavelengths, field to extend the packet level, which limit losses are increased. Fixed other structure parameters, when the packet level set to two layer, work for the 1550 nm wavelength, the two polarization mode respectively limit losses: 0. 094 dB/m and 0. 064 dB/m; And when the packet level set to three layers, work for the 1550 nm wavelength, the loss is reduced by restrictions, respectively for 2. 88 x

10-5 dB/m and 1. 34 x 10-4 dB/m. Made from the point of view of the packet layer number as little as possible. Therefore, in the design PCF structure, should as far as possible to reduce the number of the packet level, in order to reduce production difficulties, while maintaining limit losses as low as possible.

The simulation results also show that, using different structure parameters (d1, alpha and theta), can make the light in the transmission of PCF limitation with loss the difference is very big. Figure 4 different structure parameters are given, the limits of the base model x polarization loss of the changing relations between the wavelength. Can see, small air hole diameter d1, the diameter size air than α and triangle structure dip Angle θ smaller.so, to limit the loss is reduced. The main reason is d1, alpha, θ increases, will c ause the packet level equivalent refractive index increases, so that the fiber core and packet layer refractive index difference decreases, and mode field distribution in the packet level more, and limit losses increase.

5 模场半径

因为PCF 一般用于单模传输,所以与普通单模光纤一样,其所传输的光波场不能完全集中在纤芯中,而是有一部分在包层区域中传输。另外, 在PCF 中,纤芯和包层之间并没有一个非常明确的界限划分。故需要采用模场半径作为描述PCF 中传输光能集中程度的参量。模场半径是分析光纤中光波场传输特性的一个非常重要的参量,与光纤的非线性系数、数值孔径、宏弯损耗、微弯损耗、光纤间的熔接损耗等[13 ] 都具有重要的关系。利用模场半径的变化也可以判断模式的截止特性[14 ] 。由于PCF 的基模模场分布具有高斯函数的特征,所以在实际应用中,可以用高斯函数来近似表示实际PCF 中的场分布,即将基模模场的分布曲线用高斯曲线拟合。通过拟合曲线得到高斯型场分布的e - 1/ 2点,由此可求出对应于光场强度分布曲线最大值的e - 1 处的光斑直径D ,即PCF 的模场直径。假设PCF 纤芯中的模场近似为圆高斯分布,即基模的场强分布为g ( r) = 2πωexp -r2ω2 , (4)式中ω为e - 1/ 2 模场半径。在一般的周期性三角结构中也用式Aeff =πω2 计算模场半径[11 ] 。这里Aeff 为模场的有效面积。以上分析表明,这种新结构PCF 只具有二重对称性,光纤基模的两个正交偏振态不再简并, x 偏振基模和y 偏振基模对应的模场半径有所不同。这里仅给出结构参量Λ= 2 μm , d1 = 0. 8 μm ,α= 3 ,θ= 96°,波长为1550 nm 时的x 偏振基模的模场分布及采用高斯曲线拟合的结果,如图5 所示,图中实线为拟合曲线,虚线为数值模拟得

到的模场沿中心截面的分布曲线。可以看出两曲线在中心处完全重合,只有在纤芯与包层的交界处才出现很小的偏离。表明采用高斯拟合的模场分布与数值模拟得到的模场分布能够好地吻合。

图5 模场半径

Fig. 5 Modal radius

5 mode field radius

Because PCF are used for single-mode transmission, so and as ordinary

single-mode optical fiber, the transmission of light waves can't completely focused on the game in fiber core, but have a part in the packet level area transmission. In addition, in

PCF, fiber core and between the packet level and not a very clear boundaries are classified. So the need to describe PCF mode field radius as transmission of light energy parameters concentration degree. Mode field radius is analysis of optical fiber transmission characteristics of light wave field a very important parameters, and the nonlinear optical coefficient, numerical aperture, macro bending loss, the bending loss, optical fiber of welding between our [13] has an important relationship. Use the change of mode field radius can also judge the characteristics of the model [14]. Because the base model PCF mode field distribution has the characteristics of gaussian function, so in practical applications, can use the gaussian function to approximate the actual PCF the field distribution, and is about to base model of the mode field distribution curve with gaussian curve fitting. Through the curve fitting to get gaussian distributions of e-1/2 point, which can be used to ask out corresponding light intensity distribution curve of a maximum e-1 place spot diameter D, namely the PCF mode field diameter. The core assumptions PCF fiber mode field approximate circular gaussian distribution, namely the base model field dist ribution for g (r) = 2 π ω exp-r2 ω 2, (4) type of ω for e-1/2 mode field radius. In general the periodic triangle structure also use type Aeff = π ω 2 calculation mode field radius [11]. Here Aeff mode field for the effective area. The above analysis show that the new structure PCF with only double symmetry, optical fiber base model of two orthogonal polarization and no longer Jane, x and y polarization base model base model of the corresponding polarization mode field radius is different. Here only giving the structure parameters Λ = 2 μ m, d1 = 0 μ m,

and alpha = 3, θ = 96 °, for 1550 nm wavelength of the base model x polarization mode field distribution and using gaussian curve fitting results, as shown in figure 5 shows, the figure ZhongShi line for fitting curve, the numerical simulation of the dotted line to get mode field distribution curve of the center section. Two curves can be seen in the center point coincide with each other, only in the fiber core and the boundary of the packet level to appear very small deviation. Show that the gaussian fitting mode field distribution and numerical simulation of can get mode field distribution are in good agreement.

6 数值孔径

光纤的数值孔径在一定程度上反映了某种模式是否容易被激发,或光场是否容易被耦合的性质。只有入射角小于数值孔径确定的孔径角的光束才可以进入光纤成为传输光束。对于采用双包层光纤的高功率激光器而言,大的数值孔径能极大地增强抽运效率。传统阶跃光纤的数值孔径定义为NA = sinθ= n21- n22= n1 2Δ, (5)式中Δ= n1 - n2 / n1 为纤芯与包层的相对折射率差;n1 、n2 分别是纤芯和包层的折射率。可见,Δ越大,NA 越大,光纤的聚光能力越强。从光纤与光源耦合角度看, NA 越大, 耦合效率越高。但传统光纤的相对折射率差不可能做得很大, 而PCF 可以灵活地设置包层的空气孔,以产生大的相对折射率差,从而获得大的数值孔径。W. J . Wadswort h 等[ 15 ] 设计出了数值孔径高达0. 9 的大数值孔径PCF ,目前已被应用到PCF 激光器上。PCF 的数值孔径可以近似表示为NA = sinθ=11 +π2ω2 /λ2 ≈λπω, (6)式中λ为工作波长,ω为模场半径。图6 为计算得到的数值孔径随波长的变化关系。可以看出,小空气孔直径d1 和三角结构顶角θ越大,大小空气孔直径比α越小, 则数值孔径越大, 聚光能力越强;波长增大,数值孔径增大。

图6 数值孔径随波长的变化

Fig. 6 Relationship of NA versus wavelength

6 numerical aperture

The numerical aperture optical fiber in a certain extent reflects some sort of patterns are easy to be inspired, or light field is easier to be coupling of nature. Only the incident Angle

is less than numerical aperture aperture of the beam Angle sure can enter optical fiber become transmission beam. For the double-clad fiber of high power laser speaking, big numerical aperture can greatly enhance pump efficiency. Traditional Laplace domain of optical fiber numerical aperture NA = defined as sin θ = n21-n22 = n1 2 Δ, (5) type of Δ = n1-n2 / n1 for fiber core layer with a bag of relative refractive index difference; N1 n2 is fine, respectively, and the packet level refractive index. Visible, the greater the Δ, NA, the greater the optical fiber's focusing ability is strong. Optical fiber and light source from the coupling perspective, the greater the NA, coupling efficiency is higher. But the traditional optical fiber of relative refractive index difference might not do very big, and can be flexible Settings PCF packet level air hole, in order to generate large relative refractive index difference, so as to get the big numerical aperture. W. j. Wadswort h, [15] designed a numerical aperture as high as 0. 9 high numerical aperture of PCF, at present has been used to PCF on laser. The numerical aperture PCF can approximate NA = for sin θ = 11 + π 2 ω 2 / λ 2 ≈ λ π ω, (6) type λ for work in wavelength, ω for mode field radius. Figure 6 calculated for the numerical aperture the changing relations between the wavelength. Can see, small air hole diameter d1 and triangle structure θ Angle, the greater the air hole diameter size than the smaller α, the numerical aperture, the greater the focusing ability is strong; Increase wavelength, numerical aperture increased.

7 结论

采用频域有限差分法进一步详细分析了所提出的新结构高双折射PCF 的模式特性。为了得到最优的传输特性,需要综合考虑以上数值模拟结果,从中选择一组最佳结构参量。数值模拟结果表明,当选择结构参量Λ= 2 μm , d1 = 0. 4Λ, d2 / d1 = 3. 5 ,θ= 96°时,该结构PCF 具有如下好的传输特性:1) 在保持这种高双折射PCF 的模式双折射为10 - 3 量级的前提下,可以600~1800 nm 波长范围内保持单模传输;2) 当计算区域为7Λ×7Λ时,限制损耗很低,低

于10 - 4 dB/ m 量级;3) 用高斯曲线拟合x 偏振基模模场分布,对应模场半径和实际模场半径能够很好的吻合;4) 数值孔径很大,达到0. 6 ,具有很好的聚光能力。因此, 相信这种结构的PCF 将具有广泛的应用。

7 "theory

Adopts frequency finite difference method for further detailed analysis of the proposed new structure high birefringence PCF pattern characteristics. In order to get the optimal transmission characteristics, takes into account above the result of numerical simulation to choose from a set of optimal structure parameter. Numerical simulation results show

that, when t he choice structure parameter Λ = 2 μ m, d1 = 0. 4 Λ, d2 / d1 = 3. 5, θ = 96 °, the structure PCF has the following good transmission characteristics: 1) keep this in high birefringence PCF model birefringence 10-3 under the premise of magnitude, can 600 ~ 1800 nm wavelength range keep single-mode transmission; 2) when the calculation area for 7 Λ by seven Λ, limit loss is low, low

In 10-4 dB/m magnitude; 3) with gaussian curve fitting x polarization mode field distribution base model, the corresponding radius and the practical mode field mode field radius can very good ones; 4) a numerical aperture, to 0. 6, has the very good focusing ability. Therefore, to believe that this structure of PCF will have a range of applications.

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12 R. Folkenberg , N. A. Mortensen , K. P. Hansen et al . .Experimental investigation of cut2off phenomena in non2linearphotonic crystal fibers [ J ] . Opt . Lett . , 2003 , 28 (20) : 1882~

1884

13 Niel s Asger Mortensen. Effective area of photonic crystal fibers[J ] . Opt . Ex p ress , 2002 , 10 (7) : 341~348

14 Fang Hong , Lou Shuqin , Ren Guobin et al . . Mode cut2off inphotonic crystal fiber wit h non2uniform holes [ J ] . Chin. J .Lasers , 2006 , 33 (4) : 493~498方宏,娄淑琴,任国斌等. 非均匀孔径光子晶体光纤的模式截止[J ] . 中国激光, 2006 , 33 (4) : 493~498

15 W. J . Wadswort h , R. M. Percival , G. Bouwmans et al . . Veryhigh numerical apert ure fibers [ J ] . IE EE Photon. Technol .Let t . , 2004 , 16 (3) : 843~845

光子晶体的应用及其发展前景

光子晶体的应用及其发展前景 摘要:光子晶体是一种介电常数不同的,是人工设计的由两种或两种以上介质材料排列的一维·二维或三维周期结构的晶体。一维光子晶体已得到实际应用,三维光子晶体仍处于实验室实验阶段。由于光子晶体有带隙和慢光等优良特性,所以具有广泛的应用前景。 关键字:光子晶体物理基础材料制备应用 1、物理基础 (1)1987年,E.Y allonovitch 和S.John在研究抑制自发辐射和光子局域时提出光子这概念。概念提出后,其研究经历了一个从一维、二维到三维的过程,并将带隙不断向短波方向推进。微波波段的逞隙常称为电磁带隙(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。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。相比一维二维光子晶体只能产生方向禁带,三维光子晶体能产生全方向的禁带,具有更普遍的实用性。 2、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。 (2)光子晶体的特性 根据固体物理的理论知识,在电子晶体中,由原子排布的晶格结构产生的周期性势场会对其中的运动电子形成调制。类似于电子晶体的一些特性,光子晶体中由于介电常数的空间周期分布带来的调制作用,所以也会形成光波的的带状分布,出现不连续的光子能带,能带的间隙称为光子禁带。禁带中对应频率的光波不能被传播。 光子禁带是光子晶体的两个重要特征之一,它的另一重要特征是光子局域。按照形成光子晶体结构的介电材料的空间周期性,可将其分为一维、二维和三维光子晶体。对于一维的光子晶体来说,由于介电材料只在一个空间方向上周期排列,所以只能在这一方向上产生光子禁带。对于二维光子晶体来说,由于介电常数在两个空间方向上均具有周期分布,所以产生的光子禁带位于这两个方向或这两个波矢交面上。三维光子晶体具有全方位的周期结构,可在所有方向上产生光子禁带。产生的光子禁带又分完全带隙和不完全带隙。在具有完全带隙的光子晶体中,落在光子禁带中的光在任何方向都不能传播,而在具有不完全带隙的光子晶体中,光波只是在某些方向上被禁止。

光子晶体简介及应用

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

光子晶体基本原理

光子晶体 2.1光子晶体的基本原理 大家都知道,许多研究都因类似的现象作出的假设。这是因为宇宙具有相同的模式,其中有一个高度一致的内部规则,即使拥有千变万化的外观。光子晶体也是这样,这是第一先假设光子也具有类似于电子的传输性质,不同的是电子是在普通晶体中传输,而光子是在光子晶体中传输,然后在半导体的基础上发展起来的。 另外,晶体的原子是周期性的,有序排列的,由于这个周期势场,电子的运动收到周期性布拉格散射效应,从而形成一个能带结构,带隙存在于带与带之间。如果电子波带隙能量落到带隙中,就不能继续传播。事实上,无论什么电磁波,只要受到周期性调制,就会产生一个能带结构,也有可能出现带隙。 简而言之,由于半导体中离子的周期性排列引起了能带结构的产生,而能带控制着载流子(半导体中的电子或者空穴)在半导体中运动。同样的,在光子晶体由周期性变化所产生的光的光带隙结构,从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的移动。 2.2光子晶体的制备 人们已广泛认识到光子晶体具有的巨大应用前景, 这是光子晶体得以应用的必要条件———光子晶体的制备工艺得到世界上众多研究人员的深入研究,在此后的时间里,关于光子晶体的理论研究和实际应用的探索得到突飞猛进的发展,已然成为国际信息科技领域的一个热点问题。 从光子晶体的维数上看,光子晶体可以分为一维光子晶体, 二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体,顾名思义,就是在一个维度上周期性排布的光子晶体,它是由两种介质块构成的,而且这两种介质块须具有不同的介电常数,并在空间上交替排列。二维光子晶体是不同介电常数的介质柱(或其他规则介质)在二维空间上周期性排列的结构,如石墨结构,在某一平面上具有周期性,而在垂直这个平面的方向上是连续不变的。三维光子晶体是在三个方向上均具有周期性结构,因此与一维、二维光子晶体在某一个或两个方向上具有光子带隙不同,它在三个方向也都具有光子禁带,也被称为全方位光子带隙。

几种常见晶体结构分析

几种常见晶体结构分析文档编制序号:[KK8UY-LL9IO69-TTO6M3-MTOL89-FTT688]

几种常见晶体结构分析 河北省宣化县第一中学 栾春武 邮编 075131 栾春武:中学高级教师,张家口市中级职称评委会委员。河北省化学学会会员。市骨干教师、市优秀班主任、模范教师、优秀共产党员、劳动模范、县十佳班主任。 联系电话: E-mail : 一、氯化钠、氯化铯晶体——离子晶体 由于离子键无饱和性与方向性,所以离子晶体中无单个分子存在。阴阳离子在晶体中按一定的规则排列,使整个晶体不显电性且能量最低。离子的配位数分析如下: 离子数目的计算:在每一个结构单元(晶胞)中,处于不同位置的微粒在该单元中所占的份额也有所不同,一般的规律是:顶点上的微粒属于该 单元中所占的份额为18,棱上的微粒属于该单元中所占的份额为1 4,面上 的微粒属于该单元中所占的份额为1 2,中心位置上(嚷里边)的微粒才完 全属于该单元,即所占的份额为1。 1.氯化钠晶体中每个Na +周围有6个Cl -,每个Cl -周围有6个Na +,与一个Na +距离最近且相等的Cl -围成的空间构型为正八面体。每个Na +周围与其最近且距离相等的Na +有12个。见图1。 图1 图2 NaCl

晶胞中平均Cl-个数:8×1 8 + 6× 1 2 = 4;晶胞中平均Na+个数:1 + 12×1 4 = 4 因此NaCl的一个晶胞中含有4个NaCl(4个Na+和4个Cl-)。 2.氯化铯晶体中每个Cs+周围有8个Cl-,每个Cl-周围有8个Cs+,与一个Cs+距离最近且相等的Cs+有6个。 晶胞中平均Cs+个数:1;晶胞中平均Cl-个数:8×1 8 = 1。 因此CsCl的一个晶胞中含有1个CsCl(1个Cs+和1个Cl-)。 二、金刚石、二氧化硅——原子晶体 1.金刚石是一种正四面体的空间网状结构。每个C 原子以共价键与4个C原子紧邻,因而整个晶体中无单 个分子存在。由共价键构成的最小环结构中有6个碳原 子,不在同一个平面上,每个C原子被12个六元环共用,每C—C键共6 个环,因此六元环中的平均C原子数为6× 1 12 = 1 2 ,平均C—C键数为 6×1 6 = 1。 C原子数: C—C键键数= 1:2; C原子数: 六元环数= 1:2。 2.二氧化硅晶体结构与金刚石相似,C被Si代替,C与C之间插 氧,即为SiO 2晶体,则SiO 2 晶体中最小环为12环(6个Si,6个O), 图3 CsCl 晶 图4 金刚石晶

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

常见的金属晶体结构

第二章作业 2-1 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 V、Mg、Zn 各属何种结构答:常见晶体结构有 3 种:⑴体心立方:-Fe、Cr、V ⑵面心立方:-Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方:Mg、Zn -Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、 2---7 为何单晶体具有各向异性,而多晶体在一般情况下不显示出各向异性答:因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同,造成原子间结合力不同,因而表现出各向异性;而多晶体是由很多个单晶体所组成,它在各个方向上的力相互抵消平衡,因而表现各向同性。第三章作业3-2 如果其它条件相同,试比较在下列铸造条件下,所得铸件晶粒的大小;⑴金属模浇注与砂模浇注;⑵高温浇注与低温浇注;⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件;⑷浇注时采用振动与不采用振动;⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答:晶粒大小:⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业 4-4 在常温下为什么细晶粒金属强度高,且塑性、韧性也好试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答:晶粒细小而均匀,不仅常温下强度较高,而且塑性和韧性也较好,即强韧性好。原因是:(1)强度高:Hall-Petch 公式。晶界越多,越难滑移。(2)塑性好:晶粒越多,变形均匀而分散,减少应力集中。(3)韧性好:晶粒越细,晶界越曲折,裂纹越不易传播。 4-6 生产中加工长的精密细杠(或轴)时,常在半精加工后,将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂 7~15 天,然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因答:这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来,是细长工件的一种存放形式吊个7 天,让工件释放应力的时间,轴越粗放的时间越长。 4-8 钨在1000℃变形加工,锡在室温下变形加工,请说明它们是热加工还是冷加工(钨熔点是3410℃,锡熔点是232℃)答:W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =(~×(3410+273)-273 =(1200~1568)(℃)>1000℃ TR(Sn) =(~×(232+273)-273 =(-71~-20)(℃) <25℃ 所以 W 在1000℃时为冷加工,Sn 在室温下为热加工 4-9 用下列三种方法制造齿轮,哪一种比较理想为什么(1)用厚钢板切出圆饼,再加工成齿轮;(2)由粗钢棒切下圆饼,再加工成齿轮;(3)由圆棒锻成圆饼,再加工成齿轮。答:齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则,同时也要根据实际情况具体而定,总的原则是满足使用要求;加工便当;性价比最佳。对齿轮而言,要看是干什么用的齿轮,对于精度要求不高的,使用频率不高,强度也没什么要求的,方法 1、2 都可以,用方法 3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮,方法 3 就是合理的。经过锻造的齿坯,金属内部晶粒更加细化,内应力均匀,材料的杂质更少,相对材料的强度也有所提高,经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定,强度更好。 4-10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉,并随工件一起加热到1000℃,保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂,试分析原因答:由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度,那么再吊重物时才有足够的强度,当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后,等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理,所以使钢丝绳的性能大大下降,所以再吊重物时发生断裂。 4-11 在室温下对铅板进行弯折,越弯越硬,而稍隔一段时间再行弯折,铅板又像最初一样柔软这是什么原因答:铅板在室温下的加工属于热加工,加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成,而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上,所以伴随着回复和再结晶过程,等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒,硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业 5-3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同答:一次渗碳体:由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体:从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体:从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体:经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体:经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗

综述光子晶体的研究进展

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

光子晶体发展及种类

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

光子晶体原理与应用

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

以平面波展开法分析光子晶体能带结构.

以平面波展開法分析光子晶體能帶結構 廖淑慧講師 中州技術學院電子工程系 黃坤賢學生 黃照智學生 中州技術學院電子工程系 摘要 光子晶體的主要特色在於所謂的光子能隙—電磁波無法在能隙中傳播。雖然三維的光子晶體被認為是最具應用潛力的,但是二維光子晶體的結構在製程上卻佔有較易製作的優勢,所以在光電元件裝置及相關研究領域上亦廣為使用。我們使用平面波展開法,分別計算一維和二維光子晶體的能帶結構。根據理論分析的結果,我們發現一維光子晶體無論介電常數差異如何,總是存在著光子能隙。對於二維正方晶格的結構計算,我們發現正方晶格對TM波有能隙,對TE波則無。 關鍵詞: 光子晶體,光子能隙,平面波展開法 壹﹑前言 當半導體中的電子受到晶格的週期性位勢(periodic potential)散射時,部份波段會因破壞性干涉而形成能隙(energy gap),導致電子的色散關係(dispersion relation)呈帶狀分佈,此即所謂的電子能帶結構(electronic band structure)。西元1987年,E. Yablonovitch 與S. John不約而同地提出相關見解[1][2],說明類似的現象亦存在於所謂的光子系統中。根據他們提出的研究報告顯示,在介電係數呈週期性排列的三維介電材料中,電磁波被散射後,某些波段的電磁波強度將會因破壞性干涉而呈指數衰減,無法在該材料內傳遞,這樣的現象相當於在對應的頻譜上形成能隙,因此,色散關係也具有帶狀結構,此即所謂的光子能帶結構(photonic band structure)。這種具有光子能帶結構的介電物質,就稱為光子晶體(photonic crystal)。 事實上,在三維光子能帶結構的概念尚未被提出之前,科學家們對於一維的光子晶體(層狀介電材料) 的研究早已行之多年。電磁波在一維的光子晶體中的干涉現象早已應用在各種光學實驗以及相關的應用產品之中,例如作為波段選擇器、濾波器、繞射光柵元件或反射鏡等。因為科學界一直未能以「晶格」的角度來看待週期性光學材料,所以遲遲未能將固態物理上已發展成熟的能帶理論運用在這方面。直到1989年,Yablonovitch與Gmitter首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結構的存在[3],終於引起相關研究領域的注意,並且開始大舉投入這方面的研究。

光子晶体理论与器件课程背景

光子晶体理论与器件课程背景 关键词:光子晶体,禁带,晶体,材料,光子学 Key words : photonic crystals, band gap, crystals, materials, photonics 1 光子晶体概念的历史由来 光子晶体的概念首先由光子晶体的概念是在1987年分别由S. John [1] 和E. Yablonovitch [2] 各自独立提出。20多年来,光子晶体的理论和应用研究在全世界掀起了一股热潮,取得了一系列重要进展,已经发展成为一个世人瞩目的学科。光子晶体作为一种新型的光子器件材料,能够控制光子的运动,在提高发光二极管的发光效率,改善太阳能电池的光电转换效率,制作体积仅为光波波长的立方的数量级的微型激光器,实现无阈值激光振荡,控制原子的自发辐射,制造高增益、低损耗的天线,高增益光子频率滤波器,光子晶体空间波滤波器,光子晶体功率分配器/合成器,光子晶体相位补偿器、相移器,光子晶体偏振分离集成光路,光子晶体传感器,光子晶体负折射率器件,光子晶体自准直器件,光子晶体光束成形,光子晶体微透镜,光子晶体光脉冲压缩器件,光子晶体平板波导,光子晶体定向耦合器,光子晶体光纤,光子晶体非线性器件,光子晶体超连续谱产生,光子晶体混频器,光子晶体倍频器,光子晶体光开关,波分复用集成光路器件,光调制/解调集成光路,光二极管集成光路,光隔离器集成光路,光环行器集成光路,光子逻辑集成光路,光子存储、光子频率变换,光子信息处理,光子晶体光声器件,光子晶体光力器件、光子晶体太赫兹器件等方面均有着广泛的应用,因此引起了国际上广泛的注意。[1-77] 光子晶体的概念是根据传统的晶体概念类比而来的。在固体物理研究中发现,晶体中的周期性排列的原子所产生的周期性电势场结构对电子会产生一个特殊的约束作用。在这样的空间周期性电势场中的电子的运动所遵守的规律是由如下的薛定谔方程决定的: 0),())]((2[22=ψ-+?t r r V E m (1) 其中)(r V 是电子的势能函数,它具有空间周期性。求解以上方程式(1)可以发现,电子的能量E 只能取某些特殊值,在某些能量区间内该方程无解,也就是说电子的能量不可能落在在这样的能量区间,通常称之为能量禁带。研究发现,电子在这种周期性结构中的德布罗意波长与晶体的晶格常数具有大致相同的数量级。 从电磁场理论知道,在介电系数呈空间周期性分布的介质中,电磁场所服从的规律是如下所示的Maxell 方程: 0),(]))(([022 2=???-++?t C εεω (2) 其中,0ε为平均相对介电常数,)(r ε为相对介电常数的调制部分,它随空间位置做周期性变化,C 为真空中的光速,ω为电磁波的频率,),(t r E 是电磁波的电场矢量。可以看到方程式(1)和(2)具有一定的相似性。事实上,通过对方程式(2)的求解可以发现,该方程式只有在某些特定的频率ω处才有解,而在某些频率ω取值区间该方程无解。这也就是说,在介电常数呈周期性分布的介质结构中的电磁波的某些频率是被禁止的,通常称这些被禁止的频率区间为“光子频率禁带”(Photonic Band Gap ),而将具有“光子频率禁带”的材料称作为光子晶体。

光子晶体的制备与应用研究_李会玲

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

常见典型晶体晶胞结构.doc

典型晶体晶胞结构1.原子晶体 (金刚石 ) 2.分子晶体

3.离子晶体 + Na - Cl

4.金属晶体 堆积模型简单立方钾型镁型铜型典型代表Po Na K Fe Mg Zn Ti Cu Ag Au 配位数 6 8 12 12 晶胞 5.混合型晶体——石墨 1.元素是Cu 的一种氯化物晶体的晶胞结构如图 13 所示,该氯化物的化学 式,它可与浓盐酸发生非氧化还原反应,生成配合物H n WCl 3,反应的化 学方程式为。 2.( 2011 山东高考)CaO 与NaCl 的晶胞同为面心立方结构,已知CaO 晶体密度为ag·cm-3,N A表示阿伏加德罗常数,则CaO 晶胞体积为cm3。 2.( 2011 新课标全国)六方氮化硼BN 在高温高压下,可以转化为立方氮化硼,其结构与金刚石相似,硬度与金刚 石相当,晶苞边长为361.5pm ,立方氮化硼晶胞中含有______各氮原子、 ________各硼原子,立方氮化硼的密度是_______g ·cm-3(只要求列算式,不必计算出数值,阿伏伽德罗常数为N A)。

解析:描述晶体结构的基本单元叫做晶胞,金刚石晶胞是立方体,其中8 个顶点有8 个碳原子, 6 个面各有 6 个碳 原子,立方体内部还有 4 个碳原子,如图所示。所以金刚石的一个晶胞中含有的碳原子数= 8×1/8+6 ×1/2+4=8 ,因此立方氮化硼晶胞中应该含有 4 个 N 和 4 个 B 原子。由于立方氮化硼的一个晶胞中含有 4 个 4 25g 是,立方体的体积是(361.5cm)3,因此立方氮化硼的密度是 N 和 4 个 B 原子,其质量是 1023 6.02 g·cm-3。 3.( 4)元素金( Au )处于周期表中的第六周期,与Cu 同族, Au 原子最外层电子排布式为______;一种铜合金晶体具有立方最密堆积的结构,在晶胞中Cu 原子处于面心, Au 原子处于顶点位置,则该合金中Cu 原子与 Au 原子数量之比为 _______;该晶体中,原子之间的作用力是________; ( 5)上述晶体具有储氢功能,氢原子可进入到由Cu 原子与 Au 原子构成的四面体空隙中。若将Cu原子与Au原子等同看待,该晶体储氢后的晶胞结构为CaF2的结构相似,该晶体储氢后的化学式应为_____。 4.( 2010 山东卷)铅、钡、氧形成的某化合物的晶胞结构是:Pb4+处于立方晶胞顶点,Ba2+处于晶胞中心, O2-处于晶胞棱边中心,该化合物化学式为,每个 Ba2+与个 O2-配位。 5.(4) CaC2晶体的晶胞结构与NaCl晶体的相似(如右图所示),但 CaC2晶体中含有的中哑 铃形 C 22 的存在,使晶胞沿一个方向拉长。CaC 2晶体中1个 Ca 2 周围距离最近的 C 22 数目 为。 6.( 09 江苏卷 21 A )③在 1 个 Cu2O 晶胞中(结构如图所示),所包含的Cu 原子数目 为。

光子晶体简介论文

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。

光子晶体

光子晶体的特点、制备与应用 (哈尔滨工业大学,黑龙江省哈尔滨150090) 摘要:光子晶体是20世纪80年代末提出的具有光子能带及能隙的新概念和新材料,由于光子晶体具有光子带隙、光子局域和控制光子态密度等特性, 所以它具有广阔的应用前景。本文简述了光子晶体的主要特征, 重点介绍了其制备方法、进展以及现有应用和发展前景。 关键词:光子晶体;光子晶体的制备;光子晶体的应用; Characteristics, preparation and application of the photonic crystal Abstract:Photonic crystal is a new concept and new material with photonic band and energy gap at the end of the 1980 s. Because photonic crystal has the properties of photonic band gap, photon localization and control the photon density of states, it has peculiar properties and vast application prospect. This essay briefly introduce the main features of photonic crystal, emphasis introduce the preparation methods, progress and the existing application and development prospect. Keywords: Photonic crystal, the preparation of photonic crystals,the application of the photonic crystal 1引言 光子晶体是电介质材料周期性排列形成的人造晶体,电磁波在其中的色散关系可以用类似于表征电子在半导体中运动的能带结构来描述称之为光子带结构。在光子晶体中可能存在的带隙称之为光子带隙。人们从各个角度展开了对它的理论和实验研究, 取得了迅速的发展, 尤其是介电常数呈三维周期性排列的光子晶体的理论研究和实验制作更受到高度重视。[1]由于光子带隙的存在,

光子晶体是指具有

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,即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的,这种结构有时也称为PBG光子晶体结构,这种新型人工材料即为光子晶体材料。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。 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带隙。电子波的能量如果落在带隙中,传播是禁止的。与半导体类似,光子晶体中光的折射率的周期性交化产生了光的带隙结构,从而有光带隙结构控制光在光子晶体中的运动。同样,光波的色散曲线形成带状结构,带与带之间可能会出现类似于半导体禁带的“光子禁带”(PhotoIlic Band Gap)。频率落在禁带中的光波是严格禁止传播的。其实不管任何波,只要受到周期性的调制.都有能带结构,也都有可能出现带隙。能量落在带隙中的波是不能传播的,电磁波或者光波也不例外.如果只在一个方向上具有周期结构,光子带隙就只可能出现在这个方向上,如果存在三维的周期结构,就有可能出现全方位的光子带隙,落在带隙中的光在任何方向上都被禁止传播。我们将具有光子禁带的周期性介质结构称为光子晶体面(Phoooc crystal),或叫做光子带隙材料(Photonic Bandgap Materials)。 由于电磁场的矢量特性,使得光子晶体的理论模拟变的较为困难。不过,经过许多理论物理学家的努力,目前几种理论上的模拟和实验结果已经取得较好的一致性。这些理论方法比电子能带理论计算方法更为完善,因为光子之间不存在库仑相互作用,是真正的单粒子问题,而在电子系统中库仑作用不可忽略,固体物理只能采取一定的近似条件来计算。以下是几种用来计算光子带隙和缺陷模的方法,它们均基于经典电磁场理论。 1、平面波展开法 平面波展开法在光子晶体理论分析中应用最早也最广泛。在计算光子晶体能带结构时,平面波展开法应用布洛赫定理,把介电常数和电场或磁场用平面波展开,将麦克斯韦方程从实空间变换到离散傅立叶空间,从而将能带计算简化为代数本征问题的求解。平面波展开法的缺点是收敛速度比较慢,通过与紧束缚法相结合,可以在某种程度上解决这个问题。另外,平面波展开法不能计算金属光子晶体能带。 2、时域有限差分法 时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,简称FDTD)的基本思想是:首先定义初始时间的一组场分布,然后根据周期性边界条件,利用麦克斯韦方程组可以求得场随时间的变化,随着时间的演化,最终解得光子晶体的能带结构。FDTD方法既可以计算光子晶体介质结构的能带关系,也可以计算金属结构的光子晶体能带关系。结合最佳匹配层(Perfectly Matched Layer)技术,该方法还能计算光子晶体缺陷局域态、光子晶体波导本征模、光子晶体表面模等一系列问题。这种方法的优点是简单、直观、容易编程,且可以大大减少计算量。节省计算机内存。目前已有不少利用该方法计算光子晶体的文献,相关的计算机软件也已经开发出来。 3、转移矩阵法 转移矩阵法同样把求解光子带隙转化为求解本征值问题。这种方法首先对麦克斯韦方程做离散化,将电场或磁场在实空间格点位置展开。相邻两层空间的场之间的关系可以用一个转移矩阵来表示。利用转移矩阵,由麦克斯韦方程可以从一个层面上的场外推至整个光子晶体空间。该方法对介电常数随频率变化的金属系统特别有效。由于转移矩阵只与层面上的格点数

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