青岛大学 电子信息学院, 山东 青岛 266071
为增强石墨烯对近红外通信波段光波的吸收, 提出了一种基于周期性宇称-时间(Parity-time)对称结构的石墨烯基吸收器, 该结构由顶层的石墨烯层和底层周期性PT对称单元构成。采用传输矩阵方法系统地研究了该结构中石墨烯对1 450～1 650 nm波长范围内光波的吸收特性。结果表明, 通过优化石墨烯复合PT对称微纳结构参数, 对于所研究波长范围内垂直入射的近红外光波, 单层石墨烯的平均吸收增强了35倍。同时, 对入射角在0°～30°范围内的光波, 结构对TE极化波和TM极化波的平均吸收分别增强了19.7倍和54倍。该结构对近红外通信波段光波具有高强度吸收特性, 可广泛用于吸收器、光电探测器和红外光学传感器等器件的设计。
宇称时间对称 石墨稀 近红外 传输矩阵 parity-time symmetry graphene near-infrared transfer matrix method
提出一种基于周期性宇称-时间(PT)对称结构的磁光调制器,该结构由在中间的水基MnFe2O4磁流体层和两侧周期性PT对称单元构成,利用磁流体的磁光效应,实现具有增益的高消光比光调制。利用传输矩阵法对结构进行仿真分析,结果表明,对于波长处于结构禁带低透射区域的入射光波,在以1550 nm为中心从1513 nm到1587 nm的波长范围内,调制器对入射光最大增益接近25 dB,消光比最高接近60 dB,最低可达30 dB,同时入射光波透射率和波长移动的平均调制灵敏度最大分别可以达到74.51 dB和108.2 nm。
光学器件 宇称-时间对称 磁光效应 调制器 传输矩阵法
Author Affiliations
Abstract
School of Electronic Information, Qingdao University, Qingdao 266071, China
In order to realize the ultrastrong absorption of graphene with electrical modulation properties, we designed a composite structure of graphene and parity-time (PT) symmetry photonic crystal, which is achieved by placing the graphene layer on the top layer of the PT symmetry photonic crystal. In this paper, the absorption properties of graphene and the electrical modulating properties of the structure were theoretically analyzed based on the transfer matrix method. The result shows that the proposed structure can achieve the absorption of 31.5 dB for the communication wavelength of 1550 nm; meanwhile, by setting the electric field intensity to , the absorption of graphene can be largely modulated to realize an electrically switchable effect, the modulation depth of graphene absorption can reach nearly 100%, and the operation speed is also close to 8.171 GHz. This investigation provides a novel approach to design graphene-based optoelectronic devices and optical communication devices.
parity-time symmetry ultrastrong absorption electrical modulation graphene transfer matrix method Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 022201
具有宽带高吸收特性的吸收器是太阳能利用的关键。设计了一种含有抗反射层的基于二维光子晶体结构的太阳能吸收器,其中砷化镓(GaAs)作为吸收介质,被填充到具有四方晶格结构的二维光子晶体的钨(W)基底圆形空腔中。采用有限元法进行了模拟计算分析,结果表明,在300~2500 nm的波长范围内,吸收器的平均吸收率为92.5%,有效吸收率高达94.9%,入射仰角为50°时,有效吸收率仍有90.13%。该结构具有全太阳光谱高吸收、偏振不敏感和广角吸收等特点。研究结果为高性能太阳能吸收器的设计提供了参考。
材料 太阳能吸收器 二维光子晶体 抗反射膜 吸收谱 全太阳光谱
青岛大学 自动化工程学院, 山东 青岛 266071
在线缺陷光子晶体波导中，利用矩形孔和椭圆孔分别替代临近线缺陷的第二行和第一、三行圆形孔，构成矩形孔光子晶体波导结构.利用平面波展开法对波导的慢光特性进行仿真分析，研究矩形孔的非对称性对慢光带宽和色散特性的影响.研究表明，在慢光区域平均群折射率变化为±10%的情况下，与圆形孔线缺陷波导相比，得到的导模能更好地限制在禁带中，而且当矩形孔宽度参量小于高度参量时，导模可以得到归一化延迟带宽积更大、带宽更宽、色散更小的慢光.通过对波导中矩形孔参量的优化，得到的慢光归一化延迟带宽积最大为0.402，此时带宽为44.4 nm，群速度色散为8.0 ps2/mm.
光通信 光子晶体 波导 慢光 色散 带宽 Optical communication Photonic crystal Waveguide Slow light Dispersion Bandwidth
1 青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071
2 青岛大学物理科学学院, 山东 青岛 266071
采用大介质柱和椭圆介质柱环绕微腔结构构成光子晶体耦合腔光波导（PC-CROW），在获得慢光的同时，其缓存特性也获得了提高。当普通介质柱半径为0.25a（a 为光子晶体晶格常数），环绕微腔圆形大介质柱半径为0.35a时，得到小于2.37×10-4c（c 为真空中的光速）的导模群速度，这比均匀介质柱微腔波导的最大群速度减小了一个数量级，存储容量也有所下降；考虑到缓存性能，为了进一步改善PC-CROW 的慢光性能和缓存特性，将环绕微腔大介质柱椭圆化，在椭圆长轴为0.42a，短轴为0.20a 时，获得导模群速度小于2.3053×10-4c，存储容量达到9.8214 bit，品质因子Q 也达到了最大值3575.1。
材料 慢光 缓存能力 光子晶体 耦合腔光波导
1 青岛大学物理科学学院, 山东 青岛 266071
2 青岛大学自动化工程学院, 山东 青岛 266071
采用渐变圆弓形散射元构建线性缺陷波导，并将其应用于光子晶体的慢光效应。在工作波长λ=1550 nm时，通过圆弓形散射元单列纵向渐变，获得群折射率在31.4~95.0，低色散(Δng<10%)带宽在3.7~11.8 nm，无量纲标量积ng×(Δλ)/λ在0.2268~0.2390，超低色散带宽(Δng<1%)在2.2~4.8 nm之间的慢光；通过三列圆弓形散射元纵向周期性渐变，获得群折射率在31.6~108.2，低色散(Δng<10%)带宽在4.0~13.0 nm，无量纲标量积ng×(Δλ)/λ在0.2650~0.2792，超低色散带宽(Δng<1%)在2.6~6.8 nm之间的慢光；通过圆弓形散射元横向渐变，获得群折射率在32.1~89.3，低色散带宽在2.9~9.3 nm，无量纲标量积ng×(Δλ)/λ在0.1670~0.1926，超低色散带宽在1.6~3.5 nm之间的慢光。可见，采用散射元纵向渐变和横向渐变，特别是纵向渐变，可以实现慢光效应，从而为慢光结构设计和应用提供了新的方向。
材料 圆弓形 散射元 渐变 慢光 色散 光学学报
2013, 33(10): 1016003
1 青岛大学 自动化工程学院,山东,青岛 266071
2 北京邮电大学 光子信息与光通信教育部重点实验室,北京 100876
研究了二维光子晶体耦合腔波导的结构对慢光特性的影响,发现微腔间的距离n、填充因子r/a和缺陷柱的尺寸rd是影响光子晶体禁带中慢光导模传输特性的重要参数。随着缺陷微腔间距离的增加,导模群速度vg急剧减小;当填充因子和缺陷柱尺寸增加时,导模向低频方向移动,同时,导模群速度降低;填充因子和缺陷柱尺寸降到一定数值后,vg达到最小值,此后,当r和rd分别超出其特定值继续增大,导模群速度反而增大。取微腔之间介质柱个数为6,普通介质柱尺寸为r=0.22a,a为光子晶体晶格常数,缺陷柱尺寸为rd=0.12a,得到导模群速度最大值vgmax<1.93×10-3 c,带边处vg<10-4 c(c为光速)。这一结果显示,通过基本结构设计可以实现对光子晶体耦合腔光波导中慢光的有效控制,这将为基于光子晶体功能器件的设计和应用提供有效的支持。
光子晶体 耦合腔波导 慢光 超胞 导模
北京邮电大学 光通信与光波技术教育部重点实验室，北京 100876
考虑光场分布的影响，利用传输矩阵法研究了含有非线性缺陷的非对称一维光子晶体的透射特性，得到一种新的全光逻辑门的实现方法.由于光场在缺陷层中有着很强的局域，光子晶体的非线性效应得到增强.基于此，分析了场分布和缺陷层折射率的相互作用对光子晶体透射特性的影响，结果表明：通过合理设计，透射特性完全可以达到稳定状态.在此基础上设计了基于一维光子晶体的异或、与等全光逻辑门
光子晶体 全光逻辑门 非线性 场分布 Photonic crystal All-optical logic gate Nonlinear Field distribution
1 青岛大学 自动化工程学院，山东 青岛 266000
2 北京邮电大学 光通信与光波技术教育部重点实验室， 北京 100876
研究了用于光缓存的光子晶体耦合腔光波导的结构对慢光传输特性的影响.详细讨论了微腔间距关于波导禁带、导模带宽、导模传输群速度的具体关系.计算发现，随着微腔之间距离的增加导模显著平坦化，群速度急剧减小.当相邻微腔之间距离为7个晶格常数时，获得了小于2×10-4c的超小群速度.通过长度为13.23 μm的7×7超胞构成的光子晶体耦合腔光波导，产生的最大光延迟超过了400 ps，这比相同长度传统光波导产生光延迟大四个数量级.
光子晶体 微腔 波导 慢光 Photonic crystals Cavity Waveguide Slow light
