光子晶體的案例
基于Lumerical fdtd進行無序光子晶體波導(dǎo)的仿真設(shè)計及優(yōu)化
光子晶體是一類通過不同折射率介質(zhì)周期性的排列而形成的具有光波長量級的周期性人工微型結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)晶體來說，由于介電函數(shù)的周期性分布，光子晶體也會產(chǎn)生一些類似于傳統(tǒng)晶體的帶隙，使光局域在帶隙中無法傳播。我們在完整的光子晶體陣列中引入線缺陷可以構(gòu)造出光子晶體波導(dǎo)，光子波導(dǎo)由于傳播低損耗和體積小等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于器件之后，在未來光通信領(lǐng)域有很大的前景。光子晶體在實際制備過程中由于不可避免的無序效應(yīng)而使自身的傳輸特性受到影響，甚至降低其光學(xué)器件的性能，但是在光子器件、隨機激光器、太陽能電池等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，研究無序光子晶體結(jié)構(gòu)中光傳輸特性，實現(xiàn)對無序光子晶體的光傳輸特性的有效應(yīng)調(diào)控，這無論在理論上還是應(yīng)用上都具有非常深遠(yuǎn)的意義。
當(dāng)光機晶體波導(dǎo)里面有缺陷時，通過介質(zhì)傳播的波會經(jīng)歷多次散射。當(dāng)波長大于散射中心的大小時，散射體間距離相對較大，稱為弱散射。 在弱散射狀態(tài)下，波傳播是一個擴散過程，我們可以用散射之間的平均自由程L或擴散常數(shù)ξ來描述。如果散射量足夠大，則擴散常數(shù)ξ消失，波傳播可以完全停止。這種現(xiàn)象被稱為安德森局域化。光子晶體在制作過程中難免會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不理想以及缺陷，這種情況被叫做結(jié)構(gòu)無序，結(jié)構(gòu)無序主要有空氣孔大小無序、位置無序和旋度無序三種情況。在這里，我們采用FDTD solutions軟件研究在單光子源入射的情況下，五邊形光子晶體波導(dǎo)的光傳輸特性隨無序程度變化的情況，進而得出無序效應(yīng)對二維光子晶體光傳輸特性的影響，證明6%無序度的五邊形氣孔的六邊形光子晶體波導(dǎo)具有引人注目的光傳輸性質(zhì)。
在這項工作中，六邊形光子晶體晶格結(jié)構(gòu)采用如圖1所示的五邊形氣孔形狀。我們在七排光子晶體中部引入線缺陷，同時在線缺陷兩端設(shè)計三排五邊形氣孔的光子晶體，其他最外面三排設(shè)計成圓柱形氣孔的光子晶體。采用偶極子光源充當(dāng)量子點。
展開 華中科技大學(xué)朱錦濤、張連斌團隊在光子晶體彈性體材料領(lǐng)域取得進展
光子晶體是指由不同介電材料周期性排列而產(chǎn)生的光子帶隙結(jié)構(gòu)，具有調(diào)控光傳播的作用。當(dāng)可見光通過光子晶體時，特定頻率的光會受到光子帶隙的調(diào)制，導(dǎo)致部分可見光不能通過該材料直接被反射，從而使光子晶體產(chǎn)生特定的結(jié)構(gòu)色。結(jié)構(gòu)色在自然界中廣泛存在，例如蛋白石、孔雀的羽毛、蝴蝶或甲蟲的翅膀等都具有周期性排列的光子晶體結(jié)構(gòu)從而展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。
將光子晶體與聚合物彈性體結(jié)合可得到光子晶體彈性體，可用于可視化的力學(xué)傳感器等領(lǐng)域。然而，如何提高光子晶體彈性體材料的使用性能，同時又避免不同觀測角度帶來的色彩不一致的問題仍然是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。針對上述問題，華中科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院朱錦濤、張連斌團隊設(shè)計制備了一種基于金屬超分子聚合物的可自愈合、具有無角度依賴結(jié)構(gòu)色的光子晶體彈性體材料，克服了光子晶體材料機械損傷以及不同觀測角度色彩不一致的局限。相關(guān)成果近期發(fā)表在《先進材料》（Advanced Materials）雜志上。該論文的通訊作者是朱錦濤教授和張連斌教授，論文第一作者為博士后譚海英。
圖 1基于超分子聚合物的光子晶體彈性體及其無角度依賴的結(jié)構(gòu)色彩。
作者利用聚二甲基硅氧烷與稀土金屬離子形成的超分子聚合物作為基體材料，將其與單分散的二氧化硅納米粒子復(fù)合，通過噴涂或快速溶劑揮發(fā)的方法誘導(dǎo)二氧化硅納米粒子在超分子聚合物中自組裝形成具有短程有序結(jié)構(gòu)的光子晶體材料，該材料展現(xiàn)出鮮艷的結(jié)構(gòu)色。改變納米粒子尺寸或納米粒子在聚合物中的含量可調(diào)控其結(jié)構(gòu)色彩。該材料還表現(xiàn)出無角度依賴的結(jié)構(gòu)色，即從不同的角度觀察其顏色不發(fā)生變化（如圖1所示）。更重要的是，該光子晶體彈性體還表現(xiàn)出類似于變色龍皮膚的變色性能，在拉伸或壓縮等外力作用下其結(jié)構(gòu)色可發(fā)生改變（圖2），外力釋放后該材料又能恢復(fù)到之前的結(jié)構(gòu)色，因此可用于可視化應(yīng)力傳感領(lǐng)域。
展開 Rev.》發(fā)表光子晶體領(lǐng)域封面文章
光子晶體(PhotonicCrystals)是一類由介質(zhì)周期性排列構(gòu)成的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其顯著特征是具有光子禁帶（Photonic Bandgap, PBG），特定波長的光在光子禁帶內(nèi)不能夠傳播。由于光子禁帶的存在，光子晶體具有出色的光子操控性能。除此之外，光子晶體還具有慢光效應(yīng)、光子局域、超棱鏡效應(yīng)、負(fù)折射效應(yīng)、自準(zhǔn)直效應(yīng)、拓?fù)?em>光子態(tài)等物理特性。這個特性被用來制備光波導(dǎo)，光開關(guān)，濾波器，低閾值激光等高性能的光學(xué)器件。未來可望開發(fā)成光子計算機和光子傳感器，被用于量子傳感和量子計算等領(lǐng)域。此外，多孔結(jié)構(gòu)的光子晶體也被廣泛應(yīng)用于超材料、隱身材料、光學(xué)傳感、環(huán)境以及儲能等領(lǐng)域。因此，光子晶體引起了科學(xué)界的廣泛興趣，1998年和1999年，與光子晶體相關(guān)的研究兩度被《Science》評為當(dāng)年世界上“十大科學(xué)進展”，同時也被《Science》預(yù)測為未來六大研究熱點之一。2006年，《Science》又再一次將光子晶體評為未來的自然科學(xué)領(lǐng)域熱點。
圖1.(a)光刻法制備的多晶硅光子晶體; (b)全息光刻法制備的聚合物光子晶體；(c)激光直寫法制備三維光子晶體;膠體自組裝制備(d)金剛石機構(gòu)光子晶體;(e)蛋白（澳寶）石結(jié)構(gòu)光子晶體; (f)反蛋白（澳寶）石結(jié)構(gòu)光子晶體.
然而，如何高效率制備高品質(zhì)光子晶體是其廣泛應(yīng)用的一大挑戰(zhàn)。常用的方法有“自上而下”的半導(dǎo)體加工的方法以及“自下而上”的膠體自組裝方法。“自上而下”方法雖然可以控制其結(jié)構(gòu)以達到極少的缺陷，但是通常難以實現(xiàn)復(fù)雜光子晶體結(jié)構(gòu)，且成本非常高（圖1a-c）。因此，科學(xué)家通常探索采用成本較低，操作簡便的“自下而上”的膠體自組裝方法制備復(fù)雜的光子晶體（圖1d-f）。
展開 江雷院士團隊在光子晶體驅(qū)動材料研究取得新進展
江雷團隊在具有超浸潤性光子晶體的制備及應(yīng)用方面取得系列進展。在此前的工作中，該團隊利用所制備的單一材料聚離子液體反蛋白石光子晶體，基于其從表面朝內(nèi)部的梯度的溶劑去浸潤過程實現(xiàn)了驅(qū)動現(xiàn)象，光子晶體膜發(fā)生卷曲（Chem. Commun., 2016, 52, 5924）。但所制備的光子晶體驅(qū)動性能較差，很難滿足應(yīng)用需求。隨后通過將液晶單體過度滲透到膠體晶體模板中并隨后進行光聚合，制備了具有連續(xù)彎曲/去彎曲行為的溶劑響應(yīng)驅(qū)動器(Soft Matter, 2018, 14, 5547)。
近期，理化所光子晶體驅(qū)動材料研究又取得新進展，江雷團隊研究員王京霞與湖南師范大學(xué)教授陳波合作，通過梯度填充法制備了一種Janus 型聚（離子液體-甲基丙烯酸甲酯）共聚物反蛋白石光子晶體膜（圖1），該膜上表面聚集親水的聚離子液體，呈親水性，而下表面富集疏水的聚甲基丙烯酸甲酯，呈疏水性。所制備樣品兩面的不同性能主要是由于光照聚合過程中離子液體和甲基丙烯酸甲酯不同的聚合行為而造成的相分離，導(dǎo)致其化學(xué)組成沿薄膜厚度方向的梯度分布。所制備薄膜的Janus 性使之遇水蒸氣后具有明顯的定向彎曲行為，在4s內(nèi)彎曲角度接近1440°，并伴有亮麗的結(jié)構(gòu)色變化。
圖1. 所制備的Janus 型光子晶體膜及封面圖片
薄膜的驅(qū)動行為可以通過薄膜的化學(xué)組成、孔洞大小及溶劑種類來調(diào)節(jié)。通過COMSOL模擬了樣品的定向驅(qū)動性能，并利用單個薄膜（尺寸12mm *3mm* 20 μm）吸水后的驅(qū)動行為實現(xiàn)了單根機械軸的運動（圖2）。該研究工作為發(fā)展新型光子晶體的光學(xué)器件提供了借鑒。
圖2.
展開 
光子晶體光纖環(huán)偏振耦合強度溫度特性實驗研究
摘要 以光子晶體光纖環(huán)為研究對象，利用白光干涉儀測試了不同溫度下保偏光子晶體光纖環(huán)和普通保偏光纖環(huán)內(nèi)部的偏振交叉耦合強度分布，分析了光纖環(huán)中固定耦合點不同溫度下的偏振耦合強度變化。結(jié)果表明，在 -40 ℃~50 ℃的溫度條件下，保偏光子晶體光纖環(huán)偏振耦合強度最大變化率為0.97%；普通保偏光纖環(huán)偏振耦合強度的變化率為4.71%，約為保偏光子晶體光纖環(huán)的5倍。實驗研究證明，光子晶體光纖環(huán)的偏振交叉耦合強度溫度穩(wěn)定性高于普通保偏光纖環(huán)的偏振交叉耦合強度的溫度穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞 相干光學(xué)；溫度特性；白光干涉法；偏振耦合強度；光子晶體光纖環(huán)
1 引 言
近年來，由于光子晶體光纖（PCF）具有高雙折射、溫度穩(wěn)定性好、抗輻射能力強等諸多優(yōu)于傳統(tǒng)光纖的優(yōu)點，其在光纖傳感領(lǐng)域尤其是光纖陀螺上的應(yīng)用已經(jīng)逐步成為研究熱點，并引起了國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)的高度重視。
偏振誤差是陀螺中主要的非互易相位誤差，光纖環(huán)中的偏振交叉耦合情況是引起偏振誤差的因素之一，其穩(wěn)定性影響陀螺的精度和長期穩(wěn)定性。近幾年，各研究單位分別對保偏光纖環(huán)偏振耦合強度的溫度穩(wěn)定性、雙折射色散對偏振耦合強度的影響
等進行了研究。在光子晶體光纖方面，北京航空航天大學(xué)的Ma等測試了全溫條件下雙折射的溫度特性。目前，對于光子晶體光纖環(huán)內(nèi)偏振交叉耦合強度的溫度穩(wěn)定
性研究尚未見報道。
本文利用白光干涉儀（OCDP）對采用四極對稱繞法繞制的光子晶體光纖環(huán)和普通保偏光纖環(huán)在不同溫度下的偏振交叉耦合分布進行了實驗研究。
2 測量原理
基于白光干涉儀的白光干涉法（一種光學(xué)相干域的偏振測試技術(shù)）可實現(xiàn)光纖環(huán)對稱性的分析、光纖環(huán)內(nèi)部偏振交叉耦合的分布測量[。白光干涉儀(OCDP)采用白光干涉原理，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
展開 受煮牛奶啟發(fā)，南工大陳蘇教授團隊報道大面積光子晶體組裝最新成果
這項研究成果提升了對光子晶體自組裝規(guī)律的認(rèn)知水平，也拓展與豐富了多維度功能材料組裝的制備手段。對光子晶體材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。課題組在此領(lǐng)域近一年發(fā)表了一系列光子晶體組裝工作：ACS Photonics, 2018, DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00952; Small Methods 2018, 0, 1800104; Nanoscale 2018, 10, 19147-19153; J. Mater. Chem. C, 2018, 6(30): 8187-8193.
圖文導(dǎo)讀
圖1 基于“膠體皮”效應(yīng)的膠體粒子揮發(fā)聚并自組裝過程。
a) 基于“牛奶皮”效應(yīng)的膠體粒子揮發(fā)聚并自組裝過程示意圖； b) 自然界“牛奶皮”示意圖。c) 光子晶體全光譜打印技術(shù)及LED增亮應(yīng)用。
圖2 膠體粒子自組裝過程研究。
a) 噴墨打印光子晶體過程液滴下落；b) 液滴的共聚焦圖像；c-e）不同環(huán)境溫度、乳液濃度下液滴形貌控制。
圖3 噴墨打印法構(gòu)筑光子晶體圖案
a) 環(huán)境溫度和濕度對“膠體皮”生成的影響； b) 基底親疏水性對噴墨打印的影響； c, d) 噴墨打印精密圖案。
圖4 噴涂法構(gòu)筑全光譜光子晶體結(jié)構(gòu)色
a) 噴涂法構(gòu)筑全光譜光子晶體結(jié)構(gòu)色； b-c) 全光譜光子晶體的角度依賴行為。d) 噴涂法構(gòu)筑光子晶體圖案。
圖5 絲棒輥涂法構(gòu)筑大面積膠體光子晶體膜
a-c) 絲棒輥涂法構(gòu)筑大面積膠體光子晶體膜; d, e) 大面積膠體光子晶體膜用于LED增亮。
全文鏈接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/mh/c8mh00248g#!divAbstract 來源：高分子科學(xué)前沿
展開 ：用于快速打印結(jié)構(gòu)色智能器件的磁響應(yīng)光子晶體油墨
光子晶體是一類具有周期性介電常數(shù)結(jié)構(gòu)的材料，可以通過改變材料的物理結(jié)構(gòu)和折光性質(zhì)來調(diào)制特定波長光的傳播。其中，刺激響應(yīng)型光子晶體的光子帶隙結(jié)構(gòu)可以隨著外界刺激（例如蒸氣，溫度，應(yīng)力，pH和電磁場）的變化發(fā)生改變。通過在可見光波長范圍內(nèi)調(diào)制其衍射波長，可以直接觀察到顏色改變，在化學(xué)傳感、生物檢測、防偽標(biāo)示和加密存儲等諸多領(lǐng)域中有巨大的應(yīng)用前景。
由磁性納米微球（如四氧化三鐵納米簇膠體）作為結(jié)構(gòu)單元的光子晶體因其較高的折射率、簡單的組裝過程、快速可逆的響應(yīng)效果，備受人們關(guān)注。在已有的報道中，雖然磁性納米粒子的制備方法被廣泛研究，該類型光子晶體只能在液體環(huán)境下進行組裝，隨之而來的流動性和不穩(wěn)定性給磁響應(yīng)型光子晶體的實際應(yīng)用帶來很大的限制。因此，研究者們近年來傾向于將磁性光子晶體的規(guī)整結(jié)構(gòu)固定在高分子基體中，以期制備固態(tài)的結(jié)構(gòu)色器件。然而，被聚合交聯(lián)后的框架固定的納米粒子，不再能在外磁場下調(diào)整其結(jié)構(gòu)特征，因而喪失了其優(yōu)異的磁響應(yīng)變色性質(zhì)。
近期，復(fù)旦大學(xué)汪長春教授課題組對磁性光子晶體的器件制備進行了探索，提出了一種簡單快捷的策略來制備可供3D打印的磁響應(yīng)光子晶體復(fù)合油墨，優(yōu)化了磁性納米粒子分散液在硅橡膠前驅(qū)體中的乳化能力，從而將磁響應(yīng)光子晶體以液滴形式保護在可室溫固化的基體中。首次將3D打印技術(shù)與光子晶體相結(jié)合，通過對連續(xù)相的觸變性進行調(diào)控，獲得了易于打印的光子晶體墨水。通過控制光子晶體液滴尺寸大小和外加磁場的強弱，可以靈敏地調(diào)控磁響應(yīng)光子晶體器件的顏色。
圖1.
展開 基于comsol模擬的短程有序的非晶光子晶體能帶
Yablonovitch 發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)與具有傳導(dǎo)和價帶的半導(dǎo)體類似，并將它們命名為光子晶體（與普林斯頓大學(xué)的 Sajeev John 合作）。光子晶體即光子禁帶材料，從材料結(jié)構(gòu)上看，光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計和制造的晶體。與半導(dǎo)體晶格對電子波函數(shù)的調(diào)制相類似，光子帶隙材料能夠調(diào)制具有相應(yīng)波長的電磁波，當(dāng)電磁波在光子帶隙材料中傳播時，由于存在布拉格散射而受到調(diào)制，電磁波能量形成能帶結(jié)構(gòu)。能帶與能帶之間出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙。所具能量處在光子帶隙內(nèi)的光子，不能進入該晶體。本模型基于“Topological states in amorphous magnetic photonic lattices”（PHYSICAL REVIEW B 99, 045307 (2019)）一文，對非傳統(tǒng)的一類光子晶體：短程有序的二維非周期光學(xué)系統(tǒng)--非晶磁光子晶格（AMPLs）研究了其能帶及透射行為。
圖1 幾何結(jié)構(gòu)
如圖1所示，我們首先利用comsol建立其基本模型，可以看到我們以一個四孔結(jié)構(gòu)為一個周期，并將其陣列化為四份分別排布在四個角，然后將其旋轉(zhuǎn)至任意角度，這既是光子晶體的原胞。
圖2 材料賦予
我們將幾何分別賦予材料，如圖2所示，我們給非圓孔區(qū)域賦予空氣介質(zhì)，而圓孔區(qū)域賦予相應(yīng)的介質(zhì)材料，折射率實部為2，折射率虛部為0。
圖3 倒易晶格矢量的計算
計算時我們首先能帶計算，需要用到的comsol物理場是電磁波頻域，由于晶體具有重復(fù)的機構(gòu)，因此可以使用周期性邊界條件，這樣一來只需要一個原胞，帶隙分析設(shè)計的難點在于能帶圖中必須對波矢進行掃描，并且，因為此結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱性的缺乏，我們必須計算整個第一布里淵區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)，以獲得通帶和帶隙信息。
展開 JCMsuite應(yīng)用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學(xué)中實現(xiàn)緊湊光學(xué)元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關(guān)或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質(zhì)膜和在一個規(guī)則的、有限的、六邊形網(wǎng)格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結(jié)構(gòu)有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區(qū)域選擇為全結(jié)構(gòu)的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網(wǎng)格離散L5空腔幾何形狀(藍(lán)色:介質(zhì)材料，灰色&省略區(qū)域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內(nèi)波長的光場被定位在腔內(nèi)。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發(fā)，推導(dǎo)出計算模式的共振波長以及模式的質(zhì)量因子(Q因子)。
計算的特征模態(tài)可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
展開 中科院長春應(yīng)化所李占偉副研究員和孫昭艷研究員團隊在三維膠體光子晶體的組裝和調(diào)控機制領(lǐng)域取得重要進展
光子晶體是一類在光學(xué)尺度上具有周期性介電結(jié)構(gòu)的人工有序微結(jié)構(gòu)。與半導(dǎo)體晶體對電子的控制類似，光子晶體能夠?qū)?em>光子的存儲和傳播進行有效地控制。而且，由于光子之間沒有相互作用，其對光子可以實現(xiàn)比電子更精確的控制，從而進一步提升芯片的性能。這就使得光子晶體材料在光通信、量子計算、光電子集成等領(lǐng)域的應(yīng)用前景不可估量。全空間禁帶三維光子晶體的獲得是諸多應(yīng)用得以實現(xiàn)的前提。“自下而上”的膠體粒子自組裝為實現(xiàn)全空間禁帶三維光子晶體制備提供了重要途徑。然而，如何通過簡單有效的膠體粒子自組裝策略實現(xiàn)三維光子晶體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能調(diào)控，仍是目前國際光子晶體領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的課題之一。
已有光子晶體理論預(yù)測結(jié)果表明，全空間禁帶三維光子晶體通常具有低配位的非緊密堆積結(jié)構(gòu)，如金剛石（diamond）和燒綠石（pyrochlore）晶格等。但是，這些三維低配位晶格在熱力學(xué)上往往是不穩(wěn)定的，由各向同性球形膠體粒子直接組裝是難以實現(xiàn)的。通過在膠體粒子表面修飾具有選擇性結(jié)合能力的聚合物 “補丁”獲得“人工原子”，進而利用聚合物“補丁”之間的各向異性相互作用誘導(dǎo)膠體粒子組裝為實現(xiàn)三維低配位晶體結(jié)構(gòu)提供了可行性。目前，基于具有特殊補丁數(shù)目、補丁排列方式和形狀的多補丁膠體粒子，理論模擬已經(jīng)預(yù)測了金剛石和燒綠石等非緊密堆積晶格。但是，復(fù)雜的多補丁膠體粒子的實驗制備難度和成本同樣是非常大的。如何利用實驗上簡單易得的補丁膠體粒子自組裝構(gòu)筑三維低配位晶體結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)三維膠體光子晶體材料需要解決的核心問題。
隨著聚合方法學(xué)的發(fā)展，基于超支化聚合物、聚合物膠束、聚合物接枝納米粒子等體系，實驗上已經(jīng)能夠制備兩面神和補丁聚合物膠體粒子。
展開 JCMsuite應(yīng)用：光子晶體諧振腔光子晶體諧振腔
光子晶體(PhC)膜腔是集成光子學(xué)中實現(xiàn)緊湊光學(xué)元件的理想材料。功能可能包括激光器、開關(guān)或放大器。在案例中，計算了L5 PhC薄膜腔的基模。PhC板由一個被空氣包圍的薄介質(zhì)膜和在一個規(guī)則的、有限的、六邊形網(wǎng)格上穿孔的圓孔組成。對于L5腔，省略了沿裝置中心線的5個孔。共振模式被定位在缺失的孔隙處。因為該結(jié)構(gòu)有三個對稱平面(x=0, y=0, z=0)，計算區(qū)域選擇為全結(jié)構(gòu)的1/8，在對稱平面上采用鏡像邊界條件。
部分網(wǎng)格離散L5空腔幾何形狀(藍(lán)色:介質(zhì)材料，灰色&省略區(qū)域:空氣)。空洞是由圖像左上方缺失的氣孔形成的。在有限光子晶體帶隙內(nèi)波長的光場被定位在腔內(nèi)。
Project {
Electromagnetics {
TimeHarmonic {
ResonanceMode {
FieldComponents = Electric
MirrorSymmetry=[ElectricSymmetric,MagneticSymmetric,ElectricSymmetric]
...
}
}
}
}
在運行腳本run_project.m中，從計算出的特征值出發(fā)，推導(dǎo)出計算模式的共振波長以及模式的質(zhì)量因子(Q因子)。
計算的特征模態(tài)可以被可視化和后處理。
x-y截面上基模的近場強度
x-z截面基模的近場強度
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基于Rsoft的三芯光子晶體光纖數(shù)值仿真
Rsoft是專門做光子晶體光纖仿真軟件，可以通過utility里面的Arrary Layout 來創(chuàng)建三維光子晶體光纖。建立三維模型時在Dimens中選擇選擇2Dxy。選擇BeamPROP模塊的波束包絡(luò)法對三芯光子晶體光纖進行仿真，圖1為仿真模型，背景為熔融二氧化硅材料，紅色柱體為氣孔，黃色柱體為纖芯。中間纖芯為定為纖芯1，左邊纖芯定為纖芯2，右邊纖芯定為纖芯3。仿真時，光源的Type選擇為Fiber Mode，然后分別對1、2、3的纖芯路徑的能量進行監(jiān)測。
圖1 三芯光子晶體光纖建模圖
如圖2,為三芯PCF的縱向功率分布圖，光源從纖芯1輸入波長為1550nm的光，通過仿真可以看出纖芯1的能量在向纖芯2、纖芯3耦合。因為結(jié)構(gòu)對稱可以從數(shù)值仿真結(jié)果中得出纖芯2、纖芯3耦合的能量相同。當(dāng)給PCF一個彎曲量時纖芯2、纖芯3的能量曲線就不會重合。這是因為距離發(fā)生了改變。
圖2 縱向功率分布圖
圖3為模場分布圖，在開始傳輸時纖芯1的能量高，然后能量會耦合到另外兩個纖芯上。從圖3中可以看出能模態(tài)在纖芯間的耦合。
圖3 模場分布圖
通過軟件中的仿真1330~1700nm波長范圍內(nèi)纖芯1的透射光譜，仿真得到透射光譜有明顯的對比度。并且可以選擇波谷作為傳感的參考點，可以進一步做溫度，磁場，曲率等的仿真，為實驗提供理論支撐。
圖4 透射光譜
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公眾號:320科技工作室
展開 弱反導(dǎo)雙腔光子晶體VCSEL陣列中增強超模穩(wěn)定性
他們開發(fā)的弱反導(dǎo)雙腔光子晶體垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）陣列，通過創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電流耦合機制，實現(xiàn)了超模式激光發(fā)射的大幅穩(wěn)定性提升，為高亮度光應(yīng)用開辟了新路徑。
激光亮度的挑戰(zhàn)與突破
激光的“亮度”并非簡單指光的強弱，而是衡量其在單一光學(xué)模式（尤其是基模）中集中能量的能力。對于半導(dǎo)體激光二極管而言，多模激射現(xiàn)象使其亮度往往遜色于光纖激光器。傳統(tǒng)提升亮度的方法要么擴大激活體積以抑制高階模，要么通過光譜合成多個單模激光束。而當(dāng)激光器通過光學(xué)耦合連接時，一種全新的“超模”應(yīng)運而生——其波函數(shù)分布在多個腔體內(nèi)，成為實現(xiàn)高亮度的關(guān)鍵控制對象。
研究團隊此次開發(fā)的940nm雙腔光子晶體VCSEL陣列，突破性地實現(xiàn)了“弱反導(dǎo)”設(shè)計。與傳統(tǒng)強限制結(jié)構(gòu)不同，這種設(shè)計通過降低光學(xué)耦合腔之間的電阻，巧妙利用了腔間電流的“串?dāng)_效應(yīng)”。實驗表明，這種設(shè)計不僅能在擴展的相干區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)同相（遠(yuǎn)場軸上出現(xiàn)主瓣）和異相（遠(yuǎn)場軸上出現(xiàn)零值）兩種超模的穩(wěn)定運行，還能在連續(xù)波操作下使任一超模的輸出功率超過4mW。
雙腔VCSEL陣列的設(shè)計
該陣列940nm頂部發(fā)射的VCSEL外延層采用AlAs/AlGaAs分布式布拉格反射鏡，無需氧化物孔徑，頂部輸出鏡為17個周期結(jié)構(gòu)。光學(xué)限制由刻蝕在頂部反射鏡上的光子晶體圖案提供，腔體由光子晶體圖案中缺失的孔定義，如圖1所示，這種“缺陷”設(shè)計恰是光學(xué)耦合的關(guān)鍵。
圖1雙腔離子注入六邊形光子晶體刻蝕后的光學(xué)圖像
電約束則通過離子注入實現(xiàn)，其在空間上限定了雙增益區(qū)。器件左右兩側(cè)設(shè)置獨立電接觸，可分別控制注入每個腔體的電流。光子晶體圖案中刪除兩個孔以創(chuàng)建反導(dǎo)光學(xué)耦合腔，孔間距和直徑經(jīng)過精確設(shè)計（4μm周期、2.4μm直徑孔），分隔雙腔的孔直徑減小以促進耦合，其簡易示意圖如圖2所示。
展開 JCMsuite應(yīng)用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來實現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀。其幾何結(jié)構(gòu)為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
顯然，這個描述很難“手工”完成，輸入所有點的坐標(biāo)。相反，在JCMsuite的Matlab?接口的幫助下，建立一個復(fù)雜的幾何圖形和模擬運行完成。
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復(fù)雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環(huán)允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。關(guān)于該機制的完整描述可以在Matlab?Interface中找到，并且超出了本例的范圍，本例僅用于演示嵌入式腳本的能力。
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應(yīng)模板的后綴。模板被設(shè)計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數(shù)，如圓角、周期、包層環(huán)的數(shù)量等，就可以生成復(fù)雜的布局描述。這些主要的輸入?yún)?shù)是在run_project中設(shè)置的。m腳本。當(dāng)它在Matlab中執(zhí)行時，命令:
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
在run_project.m腳本內(nèi)將模板轉(zhuǎn)換為常規(guī)的JCMsuite輸入文件，網(wǎng)格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結(jié)果結(jié)構(gòu)中存儲的特征值寫入控制臺。
計算得到的空心模式是雙重簡并的。
展開 JCMsuite應(yīng)用：空心光子晶體光纖
例如，在多核光子晶體光纖示例中，我們使用晶格副本來創(chuàng)建固體核光子晶體光纖的空氣孔的排列。然而，在某些應(yīng)用中，可能需要描述幾何圖形，這些圖形不能用簡單的圓、平行四邊形等表示，或者類似物體的復(fù)雜陣列非周期排列在規(guī)則網(wǎng)格中，需要晶格復(fù)制來實現(xiàn)。在這種情況下，通常需要用任意邊界曲線來描述幾何對象，即一般多邊形。這就是本例的情況，其中光子晶體包層的內(nèi)部孔和中心孔形成復(fù)雜的形狀。其幾何結(jié)構(gòu)為中空光子晶體光纖，如下圖所示：
計算得到的空心模式是雙重簡并的。下圖顯示了計算得出的模態(tài)強度(第一行)和相應(yīng)的向量場分布(第二行)。
在run_project.m腳本內(nèi)將模板轉(zhuǎn)換為常規(guī)的JCMsuite輸入文件，網(wǎng)格劃分并布局，并運行模擬。此外，腳本將結(jié)果結(jié)構(gòu)中存儲的特征值寫入控制臺。
results = jcmwave_solve('project.jcmp', keys);
這個例子的project.jcmp、 layout.jcm 和 materials.jcm文件包含了模板文件 ，就要添加一個“t”作為對應(yīng)模板的后綴。模板被設(shè)計成這樣一種方式，只需要定義幾個用戶定義的參數(shù)，如圓角、周期、包層環(huán)的數(shù)量等，就可以生成復(fù)雜的布局描述。這些主要的輸入?yún)?shù)是在run_project中設(shè)置的。m腳本。當(dāng)它在Matlab中執(zhí)行時，命令:
JCMsuite的Matlab?接口允許使用所謂的模板文件生成這樣復(fù)雜的文件。因此，可以將JCMsuite語句和Matlab語句進行混合，例如，計算孔隙的點位置。Matlab循環(huán)允許在位移位置或修改形狀生成多個對象。
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