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光子晶体量子阱谱结构和场分布的研究

刘靖  
【摘要】: 光量子阱是在类比半导体量子阱基础上形成的。与半导体量子阱结构类似,光量子阱结构也由势垒和势阱组成。势垒和势阱可由一维、二维或三维光子晶体构成,为光量子阱结构、功能和特性的多样化提供了可能。 光子晶体的“光子禁带”和“光子局域”特性是一切光子晶体器件的理论基础。本文以时域有限差分法为研究工具,构建了多种光学性能优良的光量子阱结构,探讨了获得这些优良性能的物理根源。主要结论及创新点如下: (1)开发了功能强大、精确度高的时域有限差分计算程序,并验证了算法和程序的正确性。 (2)构建了一维渐变折射率单量子阱结构,论证了精细调整束缚态能级的可行性,论述了光量子阱对束缚态能级调整的意义。 (3)引进开腔光量子阱和闭腔光量子阱概念,探讨了改善二维光量子阱光学特性的措施。开腔和闭腔光量子阱结构传输谱和光场分布的计算结果表明,开腔光量子阱为行波阱,闭腔光量子阱为驻波阱,证实了闭腔光量子阱更能束缚光场的设想。 (4)研究了一维、二维光子晶体多量子阱中的谱线分裂现象,揭示了光子隧穿多量子阱时谱线分裂的规律性。研究发现,谱线分裂是阱间相互耦合的结果,其特征不仅取决于势阱的个数,而且与势垒或势阱的几何和介质参量密切相关,为光通信系统密集波分复用器件的研究提供了理论指导。 (5)系统研究了二维开腔和闭腔多量子阱结构中的光场分布,用耦合模和波函数理论进行了较详细的解释。结果显示,多量子阱中的光场分布与势垒宽度密切相关,所得结论对揭示光子在量子化体系中的运动规律有重要价值。 (6)系统研究了磁导率对光子晶体带隙特性的影响。基于非磁性材料光量子阱结构设计了磁性材料光量子阱结构。研究发现,光子隧穿磁性光量子阱结构时透射率接近1,能量损失小;与非磁性闭腔光量子阱结构相比,能够减小器件体积,增加能带工程的自由调节度,获得更加丰富的光子束缚态,因而更具优越性。阱区场分布表明,磁性阱区光量子阱为驻波阱,局域光子的能力很强,可以产生很大的光场梯度。


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