液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关

液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关 第55卷第10期2006年10月 1000.3290/2006/55(10)/5268.09 物理学报 ACTAPHYSICASINICA Vo1.55,N0.10,October,2006 ?2006Chin.Phys.Soc. 液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关 殷建玲黄旭光刘颂豪胡社军 1)(华南师范大学信息光电子科技学院,广州510631) 2)(华南师范大学物理与电信工程学院,广州510631) (2005年12月9日收到;2006年3月12日收到修改稿) 与介质柱型光子晶体相比,空气孔光子晶体更易于制作和集成而更有应用价值.采用平面波展开法证实了填 充液晶的二维三角形分布的空气孔光子晶体方向能隙的可调节性.数值模拟结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明:1)通过外界电场控制空气 孔中所填充的相列液晶的方向可以对光子晶体的方向能隙进行调节,这种可调节性可用于制作场敏偏光片.这与 uu等人研究介质柱型光子晶体的结论相类似;2)用phenylacetylene型液晶替代5CB液晶作为填充物质所得到的空 气孔光子晶体偏光片可使用的频率范围显着增大.在此基础上,还研究了填充液晶的光子晶体波导传输谱线的可 调节性对特定波长的光切断和开通控制的原理,实现了与以往光开关原理不同的光子晶体光开关. 关键词:光子晶体,液晶,可调节性,平面波展开法,场敏偏光片 PACC:427OQ,7125P 1.引言 光子晶体?是一种折射率周期性变化的人工 介质结构,它对光子具有类似于电子带隙的光子带 隙结构,这样的结构对光子具有局域性,即频率处于 光子晶体禁带范围内的光不能在光子晶体中传输. 但如果在光子晶体中引入线缺陷,原来处于光子晶 体禁带中的光就可以沿着这个线缺陷进行传 输_1.利用光子晶体的这种对光的控制能力可以 设计制作各种光学集成器件,如波长选择滤波器,波 分复用器和光开关.其中,光开关是光通信系统 中的一个重要元件,其主要作用有两个:一是将光纤 通道中的光信号切断或开通;二是将某波长的光信 号从一个通道转到另一个通道中去.由于光子晶体 器件表现出比传统的光学器件尺寸更小,性能更好 的特征卜_j,因此,利用这些特征可以设计新型的 小型光子晶体光开关. .另外,如果光子晶体中填充上功能 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,就可以 得到可调节的带隙结构.由于外部温度,电场或光折 射都可以改变功能材料的折射率,所以填充功能材 料的光子晶体波导的光学特性就可以在这些外部条 件的控制下加以调节.目前,许多基于这一原 理的可控器件都已出现.例如,在Y型波导的线缺 陷区域填充液晶后,光在不同条件下会分别沿Y型 波导的两个支臂进行传输;在光子晶体波导定向耦 合器的耦合区域填充液晶后,通过调节液晶的旋转 方向就可以使光沿着不同耦合臂输出;在Maeh— Zehnder干涉计的两个臂填充液晶后,通过调节液晶 的折射率就可以控制光传输的相位,进而可以实现 光开关等等,这些器件都利用液晶实现开关性 能?,故利用液晶的可调节性可以实现光子晶体 光开关.但是,这些光开关都是利用液晶折射率的改 变来改变两通道的相对相位来实现的,利用液晶控 制光子晶体禁带实现的光开关还未见专门报道.最 近,Liu等人从理论上证实在光子晶体中填充液晶 后,通过对液晶的折射率进行调制就可以调节光子 晶体禁带结构,进而用于制作场敏偏光片,对进 一 步研究可控的光子晶体器件提供了依据.但是Liu 等人所研究的结构是介质柱所构成的光子晶体中填 充液晶所构成的,而实际上,由半导体上三角形分布 的空气孔所构成的光子晶体结构更加牢固可靠,在 实验上更容易制作,并且在集成光学上更容易集成, 故空气孔光子晶体更有实用价值.因此,研究空气孔 *广东省自然科学基金(批准号:04010398)和广东省自然科学基金重点项目(批准 号:05100534)及国家教育部留学回国人员科研启动基金 资助的课题. t通讯联系人.E-mail:huangxg@scnu.edu.cn 10期殷建玲等:液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关5269 光子晶体禁带结构的可调节性具有现实意义.另外, Liu等人通过在介质柱光子晶体中填充5CB型液晶 所得到的偏光片的频率使用范围很小,这离实际需 求比较远,故有必要探寻光子晶体能隙变化更大,频 率使用范围更大的偏光片. 实际上,当光子晶体中填充液晶后,电磁场相当 于在各向异性光子晶体中传输,在这种情况下必须 考虑所有传播方向,即整个Brillouin区在所有偏振 模式下的能带结构2一引.这时,横电模(rI?E)和横磁 模(TM)的分离被打破,也就是说对于各向异性光子 晶体的禁带还必须同时考虑这两种模式的共同结 果,才可以充分描述其能隙结构.当然,并非所有的 各向异性光子晶体都在整个Brillouin区具有能隙结 构,有些各向异性光子晶体仅在部分Brillouin区上 具有方向能隙,甚至还只是对某种偏振模式具有方 向能隙.但是,对于实际的应用而言,方向能隙也是 非常有实用价值的. 本文在理论上证实了填充液晶的三角形分布的 空气孔型二维光子晶体方向能隙的可调节性.模拟 结果表明,在外界电场的影响下,液晶的旋转方向会 发生改变,从而使空气孔光子晶体方向能隙会像填 充液晶的柱型光子晶体那样发生改变,因此,也可以 像Liu等人指出的那样利用方向能隙的可控性来 制作场敏偏光片.但值得强调的是,本文所讨论的是 空气孔光子晶体,这种光子晶体在实验上更容易实 现和集成,故更有实用价值;并且本文的研究表明采 用phenylacetylene型液晶替代Liu等人所填充的5CB 型液晶填充到空气孔光子晶体中所得到的的偏光片 可使用的频率范围明显增大.另外,本文进一步从理 论上证实,光子晶体方向能隙的可调节性还会引起 含线缺陷的光子晶体波导的传输光谱发生改变,利 用这一原理可以制作对不同波长的光进行切断和开 通控制的结构非常简单的光开关,如,对1.55m波 长的光实现开关控制,而允许1.31/~m波长的光始 终通过的光开关. 2.计算方法 通常用平面波展开法来计算光子晶体的禁带 结构,它的基本思想是将电磁场以平面波的形式展 开,从而将麦克斯韦方程组化成一个本征方程,求解 该方程的本征值就得到所传播的光子的本征频率. 在光子晶体中填充液晶后,在其内传输的电磁场就 会受到液晶旋转方向的影响,因此,对于填充液晶的 二维光子晶体,在其内传输的电磁波满足下面的 方程: × [×日(r)】=(詈)?日(r),(1) 其中电介质张量e(r)=e(r+)是与基本变换所 产生的晶格矢量有关的周期性变化的函数, ? 日(r)=0. 由于液晶具有双折射特性,所以它通常有两种介 电系数:一种是正常介电系数e.,另一种是反常介电 系数e.对于本文所讨论的空气孔光子晶体,在其内 传输的光主要是横电模(rI?E),即电场在二维光子晶体 舻平面内,而假设液晶的指向矢沿舻平面,如图1所 示.当光波的电场方向垂直于液晶的指向矢时,液晶 呈现正常折射率,而当电场的方向平行于液晶的指向 矢时,液晶呈现反常折射率.在二维平面中,相列型液 晶的介电张量元可以描述如下: e(r)=e.(r)sin+e.(r)COS,(2) e(r)=e.(r)COS+e(r)sin,(3) e(r)=e(r) = [e(r)一e.(r)]cosCsin~,(4) 其中,是液晶指向矢的旋转角,而n=(cos~,sine) 是液晶指向矢. 图1二维三角形分布的空气孔光子晶体,孔中填充液晶 因此,填充液晶的光子晶体相当于各向异性光 子晶体.对于各向异性光子晶体,必须考虑整个 Brillouin区上对所有偏振模式的能隙结构,对特定 传播方向上存在的能隙结构仅仅是方向能隙一. 物理学报55卷 由Li等人的讨论可知一,本文所讨论的沿z传播 方向能隙结构是方向能隙结构. 对于5CB型液晶,其正常折射率和反常折射率 分别为n=1.522和n=1.706.对于phenylace— tylene型液晶],其正常折射率和反常折射率分别 为n=1.590和n;=2.223.一般情况下,单液晶 物质的中间态温度范围都非常有限,例如,5CB液晶 的温度范围是24.一35.3.,这种液晶的工作范围正 好处于室温条件下,故适合作为集成器件的工作物 质,假设5CB液晶的工作温度是室温条件并忽略吸 收损耗. 有限时域差分法(thefinite—differencetime— domain,简称FDTD)最早由Yee在1966年提出, 它利用有限差分法对含时的Maxwell方程直接求数 值解.二维FDTD法可研究光在填充液晶的二维光 子晶体波导中的传输特性.对于本文所讨论的填充 液晶的光子晶体,光相当于在各向异性光子晶体中 传输,通过将方程(2)一(4)带入方程(1)中并用 FDTD法进行求解,就可以对光在丢失一排空气孑L 的填充液晶光子晶体波导中的传输进行分 析.边界采用完美匹配层边界条件(perfectly 0.5 0.4 .?. 蒸0.2 0.1 0.0 matchedlayerboundarycondition).光子晶体置z于 平面,采用高斯脉冲光束作为入射光束并沿着z方 向传输,和z方向的步长分别是Ax和?z,通常每 个波长需10—20步,这里取,z方向的步长分别为 Ax=0.07,Az=0.07.关于FDTD法的详细讨论可参 见文献[27]. 3.数值模拟与分析 3.1.填充5CB液晶的光子晶体在光传播方向的带 结构分析 本部分将通过平面波展开法对填充5CB液晶 的二维三角形分布的空气孑L光子晶体的带结构进行 分析,入射平面波从光子晶体的左侧入射,沿z方向 射到放置于X-Z平面的光子晶体上.未填充液晶前 的光子晶体各参数如下:晶格常数为.,基底的介电 常数为e=3.4(Si),空气柱半径为r,且r/0=0.35. 利用平面波展开法计算填充5CB液晶的光子晶体 在z传播方向上带结构,如图2所示. 由图2可知,无论是5CB液晶的旋转角为0.还 , t.:...??????::::::. „ ? tt?????? ? .—- :兰菇….…”一:::?.”… . . : .…… „:..?I ? „ ? ? ???????. >t”“Il?”hi? ? ??. …::::”...一. … , I;,…:…… . ? . ::::::::.. :::;?,.; „I.-.1;.I 隧\,-?J,t|_ ?,/ 图2填充5CB液晶的旋转角分别为0o和9oo的光子晶体带结构左图为5CB液晶的旋转角 为0o的情况 右图为旋转角为90.的情况 是90.,填充5CB液晶的光子晶体在z传播方向都不 存在能隙,因此,对整个Brillouin区就更不存在能 隙,即在所有传播方向上不存在能隙结构,这种方向 能隙的不存在是由于两种偏振模式TE模和TM模 没有公共的能隙部分.但是这种光子晶体在z方向 对TE模的光存在方向能隙,如图3所示. 由图3可以看出,当三角形分布的空气孑L光子 晶体中没有填充液晶时,它对TE模的能隙范围比 填充液晶后对TE模的方向带隙要大,而且有一大 一 小两个能隙,其中较大能隙的归一化频率 (~oa/2nc,其中?是角频率,c是真空中的光速)范 围是0.224—0.333,较小能隙的归一化频率范围是 0.656—0.672.当光子晶体的空气孑L中填充液晶后, 这种各向异性光子晶体仅对TE模存在方向能隙, 其方向能隙频率范围随液晶旋转角发生改变:当液 晶旋转角为0.时,方向能隙位于0.220—0.280;当旋 转角为90.时,方向能隙位于0.218—0.262.由此可 以看出,三角形分布的空气孑L光子晶体填充液晶后, 1O期殷建玲等:液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关 3填充5CB液晶的光子晶体的能带结构示意图其中左图为没有填充液晶的情况,中间的图 为5CB液晶的旋转角 为0.的情况,右图为旋转角为90.的情况,代表TE模 其方向能隙结构的改变主要表现在以下两个方面: 首先,较大方向能隙的上限发生显着改变,而下限的 改变则不明显,并且当液晶的旋转角不同时,方向能 隙宽度明显不同;其次,填充液晶后,较小的方向能 隙消失. 填充5CB液晶的光子晶体对TE模的方向能隙 结构不仅与液晶的旋转方向有关,还与r/a(光子晶 体空气孔的半径与晶格常数的比值)有关,如图4 所示. 一, 蟋 图4填充5CB液晶的空气孔光子晶体的方向能隙结构随r/o 的变化 由图4可以看出,三角形分布的空气孔光子晶 体中填充液晶后,其方向能隙结构随着r/a的变化 有以下一些规律:首先,其带隙结构展现出与柱型光 子晶体不同的性质,Liu等人所讨论的柱型光子晶体 的方向能隙随着半径的增加而变窄,而本文所讨论 的空气孔光子晶体的方向能隙则随着半径的增加而 变宽;其次,上图不仅给出对通过选择适当的r/a来 选择方向能隙的频率范围和宽度的指导,还 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 三 角形分布的空气孔光子晶体的方向能隙结构随着液 晶旋转角度而而发生改变,故可以利用液晶来对方 向能隙结构进行调制. 对于r,?=0.35的填充5CB液晶的光子晶体, 其方向能隙结构随液晶旋转角声的改变将由图5更 清晰的看出. 0.7 0.6 0.5 蒸0.4 0.3 0.2 O.1 TE模 „5CB液晶 0l02030405060708090 /(.) 图5光子方向能隙结构与液晶旋转角的关系曲线图(TE模) (r/0:0.35) 由图5可以看出,当液晶的旋转角不同时,光子 晶体的方向能隙频率范围也不同,而液晶的旋转角 又可以通过外界电场加以调节,因此,我们可以 通过调节外界电场来对填充液晶的光子晶体的方向 能隙进行调节.由于本文所讨论的能隙是仅对TE 模存在的方向能隙,对TM模不存在,因此,这个方 向能隙仅限制TE模光的通过,而对TM模不起作 用,这种可调节性与Liu等人所讨论的被液晶所 包围的柱型光子晶体的情况非常一致,所以也可以 作为场敏偏光片来使用:当液晶的旋转角为90.时, 频率落在0.263—0.280这个范围内的光通过光子 晶体后是偏振无关的,TE模和TM模的光可同时通 过光子晶体;而当液晶的旋转角为0.时,频率落在 这个范围内的光是偏振相关的,只有TM模的光可 通过光子晶体,TE模的光不能通过. 由上面的分析可知,填充5CB液晶的光子晶体 65432lO nnnnnn ff,I卧暴一将繇 物理学报55卷 方向能隙结构随着液晶旋转角的改变,其频率上限 发生明显改变,这种改变可以用于设计可调节的场 敏偏光片.但是,填充5CB液晶的光子晶体方向能 隙结构的改变不是很大,而实际应用则期望光子晶 体的方向能隙结构发生较大的变化,因此,本文将对 填充高双折射率的phenylacetylene型液晶的光子晶 体的方向能隙结构进行分析,以期获得较大的方向 能隙改变. 0.5 0.4 ... 篓0.2 3.2.填充phenylacetylene型液晶的光子晶体在光传 播方向的带结构的可调节性分析 同理,采用平面波展开法对填充phenylacetylene 型液晶的光子晶体的方向能隙结构随液晶旋转角的 变化进行分析,其中,光子晶体的基本参数同前.通 过平面波展开法也可计算填充phenylacetylene液晶 的光子晶体在z方向上的带结构,如图6所示. ..…一??..:::...一一:::::=::::? . ::::;.le?一,绺:lr..::::娑季?.霉萋::;:..,, … „………?:::: ……….=:::::1. …. :::…-f..…?|r .. ,. ?r::.... l::::. .; :=. „ ... ? r r „“t ? ? .r , ? „ rr 图6填充phenylacetylene液晶的旋转角分别为0.和90.的光子晶体带结构左图为 phenylacetylene液晶的 旋转角为0o的情况,右图为旋转角为90o的情况 由图6可知,类似于填充5CB液晶的光子晶体, 填充phenylacetylene液晶的光子晶体在整个Brillouin 区上(即在所有传播方向上)也不存在光子晶体所特 有的能隙结构.但是这种光子晶体在z方向对TE 模的光仍存在方向能隙,如图7所示. 对比图7和图3可知,填充phenylacetylene型液 :?.:l,l?::??.?:..? ?.?-?::!. :.::????.? .? .. ..一 .?:;:, 一????f? ? JJ.|?? t ..:?.?rI??l. :-上.?7 r „t??一:.. „ 一-?? {lll{;{;l . . „ „„???? ? XFJxrJXrJX …TE模 图7填充phenylacetylene液晶的光子晶体在光传播方向的带结构示意图其中左图为没有填 充液晶的情况,中间的图为phen. ylace-ty1ene液晶的旋转角为0.的情况,右图为旋转角为90.的情况,代表TE模 晶的三角形分布的空气孔光子晶体方向能隙随液晶 旋转角的变化非常明显,其变化幅度远远大于填充 5CB液晶的情况,如,当旋转角为0o时,方向能隙范 围位于(0.220—0.272),而当旋转角为90.时,方向 能隙范围位于(0.2l2—0.222),上限变化约0.05,光 子晶体方向能隙的可调节范围得到了极大的改进, 这种方向能隙上限变化范围的大小直接影响到偏光 片的使用范围;当液晶旋转角为0.和90.时,都不再 存在较小的方向能隙. 与填充5CB液晶的光子晶体方向能隙特点类 似,填充phenylacetylene液晶的光子晶体对TE模的 方向能隙结构也与r/a(光子晶体空气孔的半径与 晶格常数的比值)有关,如图8所示. 由图8可以看出,三角形分布的空气孔光子晶 体中填充phenylacetylene型液晶后,其方向能隙结构 随着r/n的变化除与填充5CB液晶相同的规律外, 6543210 0000000 一一瓣 l0期殷建玲等:液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关5273 ,一, 图8填充phenylacetylene液晶的空气L光子晶体的方向能隙结 构随rla的变化 O.7 0.6 0.5 蒸 0.3 0.2 0.1 /(.) 图9光子方向能隙结构与液晶旋转角的关系曲线图(TE模) 显着增大. he 大 nyltylen „ e4.可调节的切断型光子晶体波导光变, 填充pace型液晶的光子晶体的方向能4.可调节的切断型光子晶体汉寻尤 隙宽度变化得比较大,这也就意味着方向能隙调制开关 范围变大. 对于r/口:0.35的填充phenylacety1ene液晶的 光子晶体,其方向能隙结构随液晶旋转角的改变 将由图9更清晰的看出. 由图9可知,填充phenylacetylene型液晶的光子 晶体方向能隙随液晶旋转角改变的变化幅度远大于 填充5CB液晶的情况,也比Liu等人所讨论的填 充5CB液晶的介质柱光子晶体的方向能隙变化范 围要大得多:如,Liu等人所讨论的填充5CB液晶的 三角形分布的介质柱光子晶体偏光片的使用范围是 0.3189—0.3488,矩形分布的光子晶体偏光片的使 用范围是0.2819--0.3109;而本文所讨论的填充 Dhenylacetylee型液晶的空气孔光子晶体偏光片的 使用范围则是0.222--0.272,因此,填充 Dhenylacetylee型液晶的空气孑L光子晶体作为场敏 偏光片的工作范围得到明显改进,其频率使用范围 裳 辑 如果利用光子晶体带隙结构的可调节性来控 制某个频率范围的光在能隙以内和以外发生移动, 就可以实现光开关.类似地,方向能隙的可调节性在 特定方向上也可以实现开关作用:三角形分布的空 气孑L光子晶体填充液晶后,它的方向能隙随着液晶 折射率的改变和改变,故引入单线缺陷所构成的光 子晶体波导的传输谱线也会随着液晶折射率的改变 而发生变化,从而实现光开关? 本文采用FDTD法对光在填充液晶的光子晶体 波导中的传输,瑚进行分析:当液晶的旋转角为 O.时,方向为反常介电常数,方向为正常介电常 数.当液晶的旋转角为90.时,则反之.采用高斯脉冲 光束作为入射光束,并沿方向入射,取,方向 的步长分别为A:0.07,Az=0.07分别对液晶的 旋转角取0.和90.的情况进行计算,就可以得到填充 枢 舞 波长/m 图l0填充5cB液晶的的光子晶体波导的rE模传输谱线(a)为液晶旋转角为O.的情况 (n:l?522),(b) 为液晶旋转角为9oolitE(n=1.706),其中口=0.3418,r/?=0?35 物理学报55卷 液晶的光子晶体单线缺陷波导的传输谱线.其中,光 子晶体的基本参数同上,对于填充5CB液晶的情 况,取0=O.3418~m. 由图1O可以看出,当液晶的旋转角不同时,填 充5CB液晶的光子晶体波导的传输谱线发生变化, 特别是对于1.55m波长的光,归一化的传输功率 由0.0002504变为0.344373,而对1.31/J.m波长的 光,归一化的传输功率仅仅由0.926408变为 0.885167.这说明当液晶的旋转方向不同时,这种简 单的结构可以对1.55m波长的光实现切断或开通 的功能,而允许1.31m波长始终通过,即当液晶的 旋转角为0.时,这种波导中只通过波长为1.31m的 光;而当液晶的旋转角为9O.时,波导中可同时通过 波长为1.31m和1.55m的光.因此,利用填充液晶 的三角形分布的空气孔光子晶体所构成的单线缺陷 波导可以直接作为波长为1.55m的光的开关. 但是,填充5CB液晶的光子晶体波导对1.55”m 波长的光的通过率只有0.344373,这对于实际应用 来说功率损耗过大,故有必要探讨透过率更高的光 开关器件,而探讨透过率高的光开关器件,就要寻找 方向能隙结构变化较大的光子晶体.由前面的分析 可知,填充phenylacetylene型液晶的光子晶体方向能 隙的变化很大,故以其为基础的光子晶体波导的传 输谱线的变化应该也更大.下面将对填充 phenylacetylene型液晶的光子晶体的传输谱线进行 分析. 由图11可以看出,当液晶的旋转角不同时,填 充液晶的光子晶体波导的传输谱线发生较大的变 化,对于1.55m波长的光,归一化的传输功率由 0.000775762变为0.763478;对1.31m波长的光, 归一化的传输功率由0.910991变为0.830112.这一 结果与填充5CB液晶的情况相比,1.55m波长的光 的透过率得到显着改善,但对1.31m波长的光影 响不大,故填充phenylacetylene型液晶的光子晶体波 导比填充5CB液晶的光子晶体波导更适宜做 1.55gm波长的光开关. 基于填充液晶的空气孔光子晶体波导不仅可以 对1.55m的光实现开关性能,适当调节晶格常数 就可以设计出对各种不同波长的光实现开关功能的 结构非常简单的光开关.另外,填充液晶的空气孔光 子晶体波导中所传输的光波的透过率随液晶旋转角 的改变而改变,这种光子晶体波导将来还有可能用 于设计其他新型的光子晶体器件. 图ll填充phenylacetylene型液晶的的光子晶体波导的TE模传输谱线(a)为液晶旋转角为 O.的情况 (n=1.590),(b)为液晶旋转角为90~的情况(n=2.223),其中口=0.3396,r/口=0.35 5.结论 本文采用平面波展开法对填充液晶的二维三角 形空气孔光子晶体在光传播方向的带结构进行数值 分析,数值模拟结果证实,这种类型的光子晶体与 uu等人所研究的由介质柱周围填充液晶所构成的 光子晶体的方向能隙结构的变化规律基本相同,故 也可以用于制作场敏偏光片.但是,用phenylacet. ylene型液晶替代5CB型液晶作为填充物质的光子 晶体制作的场敏偏光片工作范围得到明显改进,其 可使用的频率范围显着增大;并且空气孔光子晶体 在实验上也更易实现和进行集成.另外,本文还对这 种光子晶体所构成的单线缺陷波导的传输谱线进行 分析,并证实填充液晶的三角形分布的空气孔光子 晶体波导可以用于制作对不同波长的光进行开关控 制的结构简单的新型光开关;填充phenylacetylene型 液晶的光子晶体波导光开关与填充5CB液晶的光开 密舞蜒 靼孽I lO期殷建玲等:液晶调制的光子晶体可控偏光片和光开关5275 关相比,其开关性能得到极大的改善.另外,这种光子 晶体波导将来还可能用于设计新型的光学器件.这些 [1] [2] [3] [4] 【5] [6] [7] [8] [9] [1O] [11] [12] 结论将为进一步研究利用光子晶体方向能隙的可调 节性实现可控光子晶体集成器件提供理论依据. YablonovitchE1987,.Rev.Lett.582059 Joannol~ulosJD,MeadRD,WinnJN1995PhotonicCrystal (Princeton,NJ:PrincetonUniversityeress) MeadeRD,DevenyiA,Joannol~ulo6JD,Alerhand0L,SmithD A,KashK1994J.App1.P.754753 BabaT,FukayaN,YonekuraJ1999Electron.Lett.35654 FengSS,ShenLF,HeSL2004Actal~hy,.Sin.531540(in Chinese)[冯尚申,沈林放,何赛灵2OO4物理学报531540] UY,ZhengRS,FengYC,NiuHB2004ActaPhys.Sin.53 3205(inChinese)[李岩,郑瑞生,冯玉春,牛憨笨2004物理 学报533205] ZhouM,ChengXS,XuJ,ZengYetal2005ActaP.Sin.54 411(inChinese)[周梅,陈效双,徐靖,曾勇等2005物 理学报54411] ZimmermannJ,KampM,ForchelAeta/2004opt.Commun. 230387 SharkawyA,ShiS,PratherDWetal2002opt.Express101048 KoshibaM.MemberS2001IEEEJ.LightwaveTechnology191970 BoseoloS,Midrio1,SornedaCG2002IEEEJ.p?mum Electron.3847 MartinezA,CuestaF,MartiJ2003IEEEPhoton.Techno1.Lett. 15694 [13] [14] [15] [16] 【17] [18] [28] ThorhaugeM,FrandsenLH,BorelPI2003opt.Lett.281525 YoshinoK,ShimodaY,Kawa~ishiY,NakayamaK,OzakiM1999 铆z.P.Lett.75932 TakedaH,YoshinoK2002J.App1.P.925958 MenensG,Rodel”T,MatthiasH,MaI?81nannH,Kit~rowHSRet a/2003App1.Phys.Lett.833036 LeonardSW,MondiaJP.vanDrie1HMetal2000ehy,.Rev.B 6lR2389 SchullerCh,KlopfF,ReithmaierJP,KampM,ForehelA2003 App1.Ps.Lett.822161 TakedaH.Yo6hinoK2003Phys.Rev.B67073106 LiuCY.ChenLW2004IEEEPhoton.TeclmoZ.Lett.161849 LiuCY.ChenLW2004opt.Express12,2616 LiuCY.ChenLW2005Phy.Rev.B72045133 LiZY,WangJ,GuBY1998Phys,Rev.B583721 LiZY,GuBY,YangGZ1998.Rev.Lett.842574 LiZY,GuBY,YangGZ1999Euro.P.J.B1165 TakedaH,YoshinoK2002J.App1.P蛳.92,5658 TafloveA,HagnessSC1998ComputationalElectrodynamic:The FiniteDifferenceTimeDomainMethod(Boston,MA:ArtechHous) LiuCY.ChenLW2005opt.Cottlgnl/,n.2S6114 加 5276物理学报55卷 Photoniccrystalfield-sensitivepolarizerandswitchmodulated bynemaicliquidcrystals* YinJian—Ling)HuangXu.Guang)LiuSong.Hao)HuShe.Jun2) 1)(SchoolforInformationandOptoelectronicScienceandEngineering,Guangzhou510631,Ch/na) 2)(SchoolofPhysicsandTelecomEngineering,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China) (Received9December2005;revisedmanuscriptreceived12March2006) Abstract Comparedwiththephotoniccrystal(PC)structurescomposedofSicircular,thePCstructrurescomposedoftriangular latticeofairholesinadielectricslabaremoreeasilyfabricatedandintegrated.Thetunabilityofdirectionalbandgapinatwo— dimensionalphotoniccrystalofairholesinasemiconductormatrixisdemonstratednumerically,usingtheplanewaveexpansion calculation.Numericalsimulationsshowthatthephotoniccrystalbandgapsaremodulatedbynematicliquidcrystalsinfiltratedin theairholes.Thenthebandgapcanbecontrolledeasilyundertheinfluenceoftheexternalelectricfield.Sotheresultscan serveasafield—sensitivepolarizer.TheseresultsareinagreementwiththatofLiu.However,thetunablefield—sensitivepolarizer basedonthephenylacetyleneliquidcrystalsinsteadof5CBliquidcrystalshasthewiderfrequencyrange.Moreover,the transmissionspectrumofthephotoniccrystalinfiltratedbyliquidcrystalisanalyzed,usingfinitedifferencetimedomain(FDTD) method.Numericalsimulationsshowthattheshiftofthespectrummodulatedbyliquidcrystalcanbeusedtodesignanovel switch. Keywords:photoniccrystals,liquidcrystal,tunability,planewaveexpansioncalculation,field—sensit ivepolarizer PACC:427OQ,7125P *Proj~tsupportedbytheNaturalScienceFoundationofGuangdongProvince,China(GrantNos.04010398,05100534)andtheScientificResearch StartingFoundationforReturnedOverseasChineseScholars,MinistryofEducatior,China. 十Correspondingauthor.E-mail:huangxg@8can.edu.ca