Chapter 07&08 & 09 & 10 1. PHOTONIC-CRYSTAL OPTICS 下几页列出重要的概念,需掌握.

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Chapter 07&08 & 09 & 10 1

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Chapter 07&08 & 09 & 10

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PHOTONIC-CRYSTAL OPTICS

下几页列出重要的概念,需掌握

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WaVE Transfer Matrix

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Scattering Matrix

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Airy's formulas

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Fabry-Perot Etalon

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Bragg Grating

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Bloch Modes

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Chapter 8

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Comments…why?...

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Comments…integration circuits

在小空间里控制光场的传播,用于信息交换及应用!

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Photonic Crystals Metamaterials

From a similar consideration尺寸更小,亚波长, <200nm

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PLANAR-MIRROR WAVEGUIDES

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Firstly, from ray optics…

Reflection by mirrors Correct in microwave frequency

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Why?... At microwave Perfect electric conductor

(PEC) = ―ε n= j

|r|=1 Phase change: 0 or π (半波损)

0: 边界场强极大 : π 边界场强为零

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Periodicity Discrete modes

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Propagation Constants

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Dispersion Relation

截止频率 f0 。 f < f0 ( 波长大时 ) 模式消失,无法传播。在截止频率处,群速度为零,即慢光效应。

/c c d

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Group Velocity

c

c.cosθ

一种特殊的光学延迟线θπ/2, 越慢

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Field Distributi

ons正交归一本征模式

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Multimode Fields

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Comments m=1,2,3…

How about m=0? Infinite field amplitude, not allowed

Cutoff size: d>dc=/2 /c c d

But coaxial PEC waveguide supports m=0 TEM mode, which in non-cutoff!

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PLANAR DIELECTRIC WAVEGUIDES

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Comparing to Section 1No longer PEC boundary conditions

With field outside the core With non-zero/pi reflection phase

Now Electromagnetic optics

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Phase condition

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Field Distributions

… with EM boundary conditions!

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Dispersion Relation

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Dispersion…

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Group Velocity Goos-Hänchen shift

当相位为常数时 , v=c.cosθ

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Goos-Hänchen shift

Usually… positive and very small, <0.05λ

Could be negative and with large value in left-handed metamaterials

Backward energy flux Strong dispersion in

LHM

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GH shift can make a cavity

nature_450_397

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TWO-DIMENSIONAL WAVEGUIDES

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Boundary Conditions

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Applications

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OPTICAL COUPLING IN WAVEGUIDES

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Input Couplers

尽可能大的交叠积分

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End-Fire configuration

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Prism & Grating Side Couplers

To match the wavevector m …

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FIBERS

圆柱对称二维光波导,选择性阅读

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Vortex modes & Higher-OAM modes

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Resonator

From waveguide Spatial confinement of EM waves

select specific frequencies from a signal To generate stronger EM field intensity For applications that need strong EM field

Laser Quantum Physics ……

e of d r

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Examples

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PLANAR-MIRROR RESONATORS

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Resonator Modes

Interference … standing wave …

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Similar to 1D waveguides …

Smaller d larger vf (uncertainty principle)

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As Traveling waves

Multiple interference…

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Traveling-Wave Resonator

驻波的缺点:场强分布不均匀,例如 E~cos(kz) 。

Traveling wave? 场强均匀分布,优点 : 例如可以充分利用增益介质等。

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Fabry-Perot resonator

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Method I

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Methods II

E1 : E0 透射 +E3 反射; E3 : E1 反射; E2 : E1 透射; E4 : E3 透射

E0 E1 E2

E3E4 Much simple

Transfer Matrix Method

exp(―jkd)

不要忘了相位项exp(―jkd) !

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r 不能为 1

Resonance strong dispersion smaller group velocity

多次反射减缓光的速度

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Quality Factor Q

Q 越大,共振越强,群速度越小:空间上对光脉冲的挤压,增强能量密度

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Off-Axis Resonator Modes

A special design for optical delay purpose … because a longer optical path…

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SPHERICAL-MIRROR RESONATORS

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Ray Confinement

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Resonator stability diagram

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Two-Dimensional Rectangular Resonators

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Circular Resonators and Whispering-Gallery Modes

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Three-Dimensional Rectangular Cavity Resonators

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MICRORESONATORS

Microresonators are resonators in which one or more of the spatial dimensions assumes the size of a few wavelengths of light or smaller.

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Applications

To confine other elementary excitations Electrons, Polaritons, ions…

To enhance the interaction of photons with excitations

To enhance the quantum phenomena of excitations Especially when the size is comparable with the

wavelength Optical Integration circuits

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201210 月19 日

Science

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Comment

Size of resonator Usually a minimum of λ/2

Smaller size d? From 2dk=2mπ, k=n2π/ λ, one can use a

medium with larger n value To λ/2n

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Other possibility?

Metamaterial with negative nL

nLdL+nRdR=mλ/2 Solution of m=0 is possible

dL=―nRdR/nL

两个厚度成正比关系,可以缩放

腔的厚度可以做的尽可能的小

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END

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Homework 07

EXERCISE 7.1-1

解释什么是 Omnidirectional Reflection 。我 们 日 常 生 活 中 用 的 镜 子 是 不 是Omnidirectional Reflection ? 为什么?

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Homework 08

解释方程 8.2-25 每一项的物理意义。

Problems 8.2-6

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Homework 10

EXERCISE 10.1-1

Problem 10.1-7