二维八重准晶有机光子晶体平板的光学传播特性的研究

来源 :中央民族大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lucien001
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随着光学器件的发展和光系统的演进,全光网络的规模逐渐扩大,全光网络已成为未来研究的发展方向和最终的实现目标。传统的光网络难以突破适应高速、高带宽数据传输以及大规模光学器件集成等瓶颈问题。因此,对于高效稳定且适用于集成光路设计的新型光学器件的研究已成为光电子产业的新热点。光子晶体的概念自从1987年被提出以来,因其特有的光子带隙和光子局域特性,为制备高品质光学微腔提供了良好的基础。相比传统的谐振腔,光子晶体微腔具有高品质因子、微小器件体积等优势,这对于发展光通信技术具有重要的应用价值。因此,本文提出了一种基于8重准晶结构有机半导体材料的光子晶体微腔,深入研究了该微腔的光学传输特性,并重点分析了光子晶体微腔结构的透射特性和光局域特性。具体研究工作如下:首先,对于有机半导体材料与准周期结构的研究。本文所设计的光子晶体微腔主要基于垂直腔表面发射激光器的应用,因此成膜材料的选用在实际应用中起到了关键的作用。传统的光子晶体材料存在热稳定性差、红外光波段光吸收大、不易成膜、加工制作成本高等缺陷,而聚苯乙烯作为一种常用的有机半导体发光材料,具有稳定性好、易成膜、荧光量子产量高、非线性系数高、较快的响应时间等优势,因此本文选用聚苯乙烯作为光子晶体微腔的激光增益介质。准周期结构光子晶体由于其本身只具有长程指向性和旋转对称性,破坏了周期结构光子晶体的平移对称性,从而影响了晶体对入射光的敏感度,更易于形成完全带隙,并且该种结构在不引入缺陷或者杂质的条件下,在光子带隙内能够产生态密度较高的局域模。本文分别模拟计算了8重和12重准周期光子晶体平板的透射光谱,结果表明8重准周期结构的光子带隙优于12重准周期结构。因此,本文选用聚苯乙烯材料形成的8重准周期结构作为光子晶体微腔的介质结构。其次,对于8重准周期结构光子晶体平板传播特性的研究。本文用时域有限差分方法(FDTD)计算了8重准周期结构光子晶体平板微腔的透射光谱,主要研究了不同相对折射率、填充因子以及平板微腔厚度对光子带隙及带隙内局域模的影响。模拟结果表明,即使在低折射率对比度的情况下,在8重准周期结构平板微腔中均出现了可见光波段的光子带隙和局域模。从理论上详细分析了光子带隙中心位置和光子带隙内的局域模与微腔结构的变化规律,为调节出可被利用的局域模奠定了理论基础。最后,通过在8重准周期光子晶体平板微腔内引入缺陷,调节局域模在光子带隙内的位置,使之与有机共轭聚合物聚苯乙烯的荧光峰所在位置相匹配,达到局域模在增益介质内被放大激射的目的。我们设计出三种结构的光子晶体微腔,位于带隙中心位置的局域模不但具有较高Q值,局域模对应波长均在增益介质的荧光波段内,这一研究结果将为实验制备有机准晶激光器的研究提供一定的理论依据。
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