掺杂光子晶体光纤自发辐射与掺杂激活杂质的光增益透射谱研究.pdfVIP

量子光学学报12(2)：113—119。2006 ActaSinica QuantumOptica 13-07 文章编号：1007-6654(2006)02-01 掺杂光子晶体光纤自发辐射与掺杂激活杂质的光增益透射谱研究 李正华1…， 沈廷根2，一， 郑 浩2…， 吴炳坚3…， 方明阳24 所，江苏镇江212013；4．江苏大学通信工程系，江苏镇江212013) 摘要：借助光子晶体中二能级原子的自发辐射理论证明缺陷态的局域场存在的必然性以及局域场基本性质，为 研究光子晶体光纤掺杂自发辐射的内在规律提供了理论依据。且将自发辐射理论与数值模拟相结合，在缺陷介 质中掺激活杂质时，研究了光子晶体光纤的掺杂局域场特征以及受激辐射增强和透射率大于1现象与光子带隙 群速度异常和掺杂层复有效折射率成负的虚部之间的内在关系。由此说明光子晶体光纤的缺陷介质中掺入激活 杂质时，光子禁带中能出现品质因子非常高的杂质态，具有很大的态密度，较强的受激辐射放大。 关键词：光子晶体；光子晶体光纤； 自发辐射；光子禁带；激活杂质； 光增益 中图分类号：0431 文献标识码：A 近年来，电磁波在人工周期性介质材料中的行 辐射理论和特征矩阵的方法数值研究了光波在二维 为越来越受到人们的重视¨q一，人们把人造的折射 光子晶体光纤中的传播规律，重点研究了缺陷态掺 率周期性变化的结构材料称为光子晶体。在某些频 杂光子晶体光纤的透射谱。由于辐射场和物质之间 率下，电磁波不能在其中传播，形成光子禁带能隙， 的相互作用是普遍存在的，并且可以通过控制制作 光子能隙的发现意味着可以抑制自发辐射，在基础 光子晶体的参量来控制的这种相互作用，从而能够 研究和实际应用两方面都具有重要意义。类比于半 有效地控制辐射场与物质的相互作用，使希望的受 导体，在光子晶体中掺杂后，会在光子能隙中引入新 激辐射大大增强。 的电磁波局域化模式。由此得到光子晶体含有缺陷 的光子局域化模；通过掺杂可以控制能隙的位置、宽 1 理论模型 度以及能隙中掺杂模式的形成，而获得窄的透过带。 我们借助文献[7]的理论模型、结论、方法和符 光子禁带的存在可以有效地抑制自发辐射，通 号系统，本文考虑处于双能带光子晶体中的一个二 常自发辐射的几率与光子所在频率的态密度成正 能级原子的自发辐射光子晶体具有上、下两个能带， 比，如果处于光子晶体中原子的自发辐射的光频率 在上能带与下能带之间存在光子能隙。在光子晶体 落在光子禁带中时，由于该频率处光子的态密度为 o 能带带边的各向异性色散关系可近似表示为。4 零，因此自发辐射几率为零，自发辐射被抑制，这就 k+后io f∞。1+Cl 2……(∞^∞，1)，，、 是所谓的光子禁带。但如果在光子晶体中掺入激活 杂质，光子禁带中会出现品质因子非常高的杂质态， 【∞c2一C2|k一镌o2……(∞☆∞c2) 具有很大的态密度，增加了相应频率光子态密度，对 式中cD。。和∞以分别为上、下能带带边的截止频率，南 应频率处的受激辐射得到增强。研究证明在光子晶 表示电磁模的动量和极化。 体掺入激活杂质，有望实现高效光放大、构造零阈值 假设光子能隙宽度∞12=∞。1--O．)以远小于09。l$11toc2。 激光器、光子晶体激光器等方面得到广泛的应用。