1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap
六方氮化硼(h-BN)晶格结构是一种类六方对称复式超晶格结构。具有h-BN晶格构型的光子晶体以其宽光子带隙特点受到国内外学者的广泛关注。本文利用不同尺度低压气体放电管与Al2O3介质棒周期性排列，构建了新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体，实现其空间结构和等离子体参数的动态调控。利用微波透射谱对比研究了h-BN型超晶格与简单三角晶格等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目。分析了放电电流、介质棒阵列数对不同频段光子带隙的影响，以及电磁波入射角度对电磁传输特性的影响。结果表明：等离子体的引入不仅能够形成新的光子带隙，而且可以选择性地使部分禁带位置发生移动；相对于简单三角晶格，h-BN型超晶格等离子体光子晶体呈现出更多光子带隙；Al2O3介质棒阵列数对等离子体光子晶体禁带位置、宽度和数目均具有重要影响。电磁波入射角度变化越大，电磁传输特性差别越显著，透射谱相关性越差。本文所设计的新型h-BN型超晶格等离子体光子晶体为制作可调谐光子晶体提供了新的思路，在微波和太赫兹波控制领域具有潜在应用价值。
等离子体光子晶体 h-BN型超晶格 宽光子带隙 动态调控 微波透射谱 plasma photonic crystal h-BN superlattice wide photonic band gap dynamical modulation microwave transmission spectrum
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191
2 锐光信通科技有限公司，湖北 武汉 430074
光子带隙光纤具有弯曲损耗小、对环境变化不敏感等优点，是极端应用条件下高稳定光纤陀螺的理想光纤。但光子带隙光纤的传输损耗大，缺乏适用于光纤陀螺的低损耗、小模场光子带隙光纤。提出了独立反谐振纤芯光纤构型，将纤芯与包层进行空间隔离，利用纤芯壁反谐振效应抑制基模与表面模的耦合，利用反谐振与光子带隙双重效应将光限制在纤芯中传输，从而实现了光子带隙光纤小模场、低损耗的特性。理论分析结果表明，所提出的光纤构型可将模场直径为～8 μm的光子带隙光纤的损耗降低至<3.5 dB/km。采用两步法制备的光纤基本复现了设计结构，但占空比与设计值存在偏差，导致带隙偏移，实验测得所制备光纤的最小损耗为～25 dB/km@1200 nm。
光纤光学 光纤设计 光子带隙光纤 低损耗 小模场直径 中国激光
2022, 49(19): 1906002
宁波工程学院建筑与交通工程学院, 浙江 宁波 315211
采用二维纳米材料作周期性排列设计了一种湿敏型一维光子晶体纳米结构, 并基于多层介质的传输矩阵光学特性, 研究了所设计传感结构的透射光谱的湿敏光学特性及其湿敏禁带特性, 以及在 TE 和 TM 两种光波传播模式下一维光子晶体能带结构的光子禁带与环境湿度之间的变化关系。结果表明: TE 模式和 TM 模式下, 在0%～100%的相对湿度变化范围内, 一维光子晶体具有显著的光子禁带, 且光子禁带的初始波长、截止波长及禁带宽度都随环境湿度呈二次方规律变化。
量子光学 一维光子晶体 传输矩阵法 光子禁带 湿度 quantum optics one-dimensional photonic crystal transfer matrix method photonic band gap humidity
1 华南理工大学广东省光电工程技术研究开发中心， 物理与光电学院， 广东 广州 510640
2 广东省宽禁带半导体芯片及应用工程技术研究中心， 中山市华南理工大学现代产业技术研究院， 广东 中山 528437
设计了一种基于二维光子晶体自准直效应和光子禁带特性的新型紧凑型偏振分束器，器件尺寸为9 μm×9 μm，利用光子晶体的自准直效应实现TE偏振光和TM偏振光在自准直结构中的自准直传播，基于光子禁带特性实现TE偏振和TM偏振的正交分离。对于插入的偏振分束结构的空气孔排数为5时，1 550 nm处的TE偏振光的透过率为95.4%，对应的偏振消光比为23 dB，TM偏振光的透过率为88.5%，对应的偏振消光比为37 dB。对于覆盖100 nm带宽的TE和TM偏振光，TE偏振消光比和TM偏振消光比分别高于18 dB和30 dB。与以往的偏振分束器相比，结构更简单，尺寸更小，偏振消光比更高，更好地满足现代光通信、光集成系统的需求。
光子晶体 偏振分束器 自准直效应 光子禁带 偏振消光比 photonic crystals polarization beam splitter self-collimation effect photonic band gap polarization extinction ratio
1 北京工业大学 激光工程研究院, 北京 100124
2 中国科学院物理研究所, 北京 100190
保偏光纤可以通过人为引入的高双折射，降低外界环境扰动引起的不可控双折射或偏振模色散给光纤传输带来的影响，在精密干涉传感、激光器系统、光通信等领域的应用中具有重要意义.相比传统实芯光纤受制于其纤芯高折射率材料的本征性缺陷，空芯光纤可以通过特定的微结构设计将光场限制在低折射率的空气纤芯中，具有低延迟、低色散、低非线性、高光致损伤阈值、抗干扰和可填充液体或气体的高灵活性等优势，因此保偏空芯光纤不仅能在上述应用领域发挥其性能的优势，还在高功率脉冲激光传输、生物化学分析等领域展现出广阔的应用前景.本文简要回顾了保偏空芯光纤的发展历程，对其中的设计思想和关键技术进行了讨论.
光纤光学 空芯反谐振光纤 空芯光子带隙光纤 保偏光纤 双折射 Fiber optics Hollow core antiresonant fiber Hollow core photonic band gap fiber Polarization maintaining fiber Birefringence 光子学报
2019, 48(11): 1148010
新疆大学 物理科学与技术学院， 新疆 乌鲁木齐 830046
为了有效地检测混合液体的浓度，运用平面波展开法与光子晶体禁带理论，研究了光子晶体禁带宽度和混合液体浓度的对应关系。以砷化镓(GaAs)为背景材料的三角格子空气孔二维光子晶体内分别填充不同浓度的水醋酸、水甲醇混合液体，讨论了混合液体浓度与介电常数对二维光子晶体禁带宽度的影响。模拟结果表明，在温度保持不变的情况下，浓度在0~0.60mol/kg之间变化时二维光子晶体TE模没出现光子晶体禁带而TM模出现的光子晶体禁带宽度随着混合液体浓度和介电常数的增大而逐渐变窄且向高频区域移动。这一结果为生物化学中混合液体浓度的检测方面提供很好的参考依据。
光子晶体 平面波展开法 混合液体 光子晶体禁带 photonic crystal plane wave expansion method mixed liquid photonic band gap
菏泽学院物理与电子工程系, 山东 菏泽 274015
研究了光子禁带模型中三个二能级原子与热库发生相互作用的系统纠缠动力学演化。采用赝模理论和三体负本征值方法描述了系统间的纠缠,通过数值计算分析了热库谱密度函数、原子与赝模间的失谐量以及原子间的偶极-偶极相互作用强度对三原子间纠缠演化的影响。结果表明,在完美带隙模型中,原子间的纠缠随时间的演化会出现俘获现象;原子与赝模间的失谐量使原子间纠缠呈现出非单调性的变化;通过增加原子间距可以提升三原子间的纠缠。
量子光学 量子纠缠 光子禁带 赝模理论 偶极-偶极相互作用
以粒径为270 nm的SiO2微球胶体晶体作为模板, 向其中填充过量单体MMA, 热聚合后形成SiO2/PMMA复合结构光子晶体, 将此光子晶体浸泡入浓度为20%的HF溶液中, 刻蚀半小时后得到脱离ITO玻璃基板的柔性PMMA反蛋白石结构薄膜.该薄膜为周期有序的三维多孔结构, 孔径大小均一, 约为210 nm, 外观蓝紫色与测试得到的带隙位置相对应.分析其微观形貌可知, 对模板的过量填充产生了一层附着于胶体晶体上表面的PMMA致密层, 致密层与其下层PMMA反蛋白石结构骨架在热聚合过程中由于体积收缩产生一定的应力差, 使反结构薄膜自发从原基板脱离, 从而获得柔性反蛋白石结构光子晶体.该薄膜可用于柔性光子晶体器件的制备.
玻璃与非晶无机非金属材料 人工晶体 衬底转移 聚甲基丙烯酸甲酯 反蛋白石结构 柔性 光子带隙 Glass and amorphous inorganic non metallic materia Artificial crystal Substrate transfer PMMA Inverse opal Flexible Photonic band gap
1 安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，合肥 230039
2 合肥师范学院 电子信息工程学院，合肥 230061
为探讨有耗色散媒质光子晶体的特性，引入一种计算有耗色散光子晶体能带结构的方法，基于有限元法将能带结构的计算简化为求解关于Block波矢的二次特征值问题，可以有效地得到色散材料光子晶体的能带结构和特征模.分析了三角晶格介质光子晶体能带结构并与现有方法对比，结果表明两种方法在TM模和TE模下得到的能带结构完全相同，验证了该方法的有效性.分析了无耗及有耗色散光子晶体的能带结构,发现无耗光子晶体场强集中于色散媒质与空气的接触面，并呈现出明显的表面等离激元特性，具有对称性，而有耗光子晶体场强减小，表面等离激元变弱,对称性被破坏.相关结果可为有耗色散光子晶体以及表面等离激元的研究提供参考.
光子晶体 能带结构 有限元法 光子带隙 表面等离激元 Photonic crystals Band structure Finite element method Photonic band gap Surface plasmon
