混合光子晶体等离子激元纳米微腔

构建了一种三层混合光子晶体等离子体激元结构,分别为金属银(Ag)层,低折射率二氧化硅(SiO2)层和二维光子晶体层。这种混合光子晶体等离子体激元结构具有明显的横磁模(TM)模式带隙。在二维的光子晶体层的中心引入一个单元胞缺陷,形成缺陷腔结构。这种纳米尺度的光子晶体等离子体微腔的体积远小于传统介质的光学微腔,光子能量可以很好地被局域到低折射率层,实现了深亚波长尺度下的对光的限制。通过改变该混合光子晶体等离子激元结构的参数,利用三维时域有限差分(3D-FDTD)方法,分析了这种混合光子晶体等离子微腔结构的光学特性。分析表明:这种纳米微腔具有极小的模式体积0.0141(λ/n)3和高的Q/V值。     

基于二维点缺陷可重构光子晶体的毫米波微等离子体源的研究

本文根据光子晶体缺陷理论,利用HFSS软件设计了一款基于二维可重构光子晶体阵列的毫米波微等离子体源,研究其谐振特性和电磁场分布等。仿真结果表明：晶格数目、介质柱半径和介质柱间距等参数对毫米波微等离子体源的S参数和电磁场分布等有较大影响;当谐振频率为76.02 GHz时,S₁₁为-25.11 dB,品质因数Q为400.11,最大电场强度可以达到2.3×10⁵ V/m。本文工作对基于二维可重构光子晶体的毫米波微等离子体源的进一步研究提供参考。     

微腔中nc-Si/SiN超晶格的光致发光

研究了一维光子晶体微腔结构对nc-Si/a-SiNz超晶格发射的调制. 一维光子晶体微腔采用两种具有不同折射率的非化学组分非晶氮化硅的周期调制结构，腔中嵌入采用激光晶化方法制备的硅量子点阵列，从Raman谱和透射电子显微镜分析得到其尺寸约为 3～4nm. 从光致发光谱上观察到明显的选模作用、明显变窄的发光峰以及约两个量级的发光强度的增强. 微腔对硅量子点阵列发光的调制主要表现在两个方面：共振模式的增强和非共振模式的抑制. 硅量子点中位于腔共振模式的辐射跃迁被增强，非共振模式的辐射跃迁被抑制，因此位于腔共振频率处的跃迁通道成为硅量子点中唯一的辐射跃迁通道，导致光致发光谱的窄化和强度的增强. 因此，在提高硅材料发光效率方面，光子晶体微腔具有非常大的应用前景.     

表面等离激元波导-腔结构中的Fano共振

正表面等离激元Fano共振是由金属纳米结构中窄带的暗态和宽带的明态相互耦合产生的,由于它具有陡的非对称响应谱和场增强效应,因此在纳米光子器件中具有重要应用,如调制器、光开关、传感器等。利用有限元和散射矩阵理论相结合的方法研究了表面等离激元波导-腔结构中Fano共振的物理机制,包括耦合谐振腔效应、多模共振耦合效应等、基于上述表面等离激元波导-腔结构中的Fano共振,实现了分柬、光开关、传感器等纳米光子器件、由于表面等离激元波导具有亚波长束缚并在芯片上易于集成,这些基于表面等离激元波导-腔结构的纳米光子器件在高度集成光子回路中具有重要应用前景、     

微腔中nc-Si/SiN超晶格的光致发光

研究了一维光子晶体微腔结构对nc-Si/a-SiNz超晶格发射的调制.一维光子晶体微腔采用两种具有不同折射率的非化学组分非晶氮化硅的周期调制结构,腔中嵌入采用激光晶化方法制备的硅量子点阵列,从Raman谱和透射电子显微镜分析得到其尺寸约为3～4 nm.从光致发光谱上观察到明显的选模作用、明显变窄的发光峰以及约两个量级的发光强度的增强.微腔对硅量子点阵列发光的调制主要表现在两个方面:共振模式的增强和非共振模式的抑制.硅量子点中位于腔共振模式的辐射跃迁被增强,非共振模式的辐射跃迁被抑制,因此位于腔共振频率处的跃迁通道成为硅量子点中唯一的辐射跃迁通道,导致光致发光谱的窄化和强度的增强.因此,在提高硅材料发光效率方面,光子晶体微腔具有非常大的应用前景.     

微腔中nc-Si/SiN超晶格的光致发光

研究了一维光子晶体微腔结构对nc-Si/a-SiNz超晶格发射的调制.一维光子晶体微腔采用两种具有不同折射率的非化学组分非晶氮化硅的周期调制结构,腔中嵌入采用激光晶化方法制备的硅量子点阵列,从Raman谱和透射电子显微镜分析得到其尺寸约为3～4 nm.从光致发光谱上观察到明显的选模作用、明显变窄的发光峰以及约两个量级的发光强度的增强.微腔对硅量子点阵列发光的调制主要表现在两个方面:共振模式的增强和非共振模式的抑制.硅量子点中位于腔共振模式的辐射跃迁被增强,非共振模式的辐射跃迁被抑制,因此位于腔共振频率处的跃迁通道成为硅量子点中唯一的辐射跃迁通道,导致光致发光谱的窄化和强度的增强.因此,在提高硅材料发光效率方面,光子晶体微腔具有非常大的应用前景.     

中科院大力开展光学材料和器件的研究

国内在光子晶体的理论研究方面已开展了大量的工作并取得了很好的成果。虽然实验方面的研究起步较晚，但发展迅速，为研制光子晶体基的光电子器件打下了基础。中科院重点开展光子晶体天线、光子晶体激光器、光子晶体光放大器、光子晶体波导、光子晶体光开关、光子晶体波长转换器、光子晶体路由器、超高效率发光二极管等新一代纳米光电子器件的研究。     

基于石墨烯/光子晶体混合结构的石墨烯表面等离激元波导

由于石墨烯的无带隙线性能级结构,使得石墨烯等离激元具有能量局域强,响应频段宽,传播距离长,并可由偏置电压动态调控等优良特性。文章设计石墨烯与光子晶体的混合结构,利用光子晶体的能带结构和线缺陷的特点,形成了石墨烯表面等离激元波导,通过改变石墨烯的费米能级,实现了石墨烯表面等离激元波导频率的调控。     

高双折射低损耗条形纤芯光子晶体光纤设计

目前新型光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF)在太赫兹波段(Terahertz, THz)内的研究不断深入，在满足高性能的同时也要保证较低的损耗，才能应用得更加广泛。针对0.9～1.4太赫兹波段，提出了一种具有高双折射、低色散、低损耗的光子晶体光纤，通过在纤芯包层中引入条形空气孔，形成不对称结构，提高特性，在0.9 THz～1.4 THz波段内进行特性研究。仿真结果显示，在1 THz时可达到0.076的双折射特性，同时最低可达到0.027 ps/(THz·cm)的近零平坦色散，限制损耗在1 THz时为10^-9 dB/m数量级，有效模场面积为10^-4 m²数量级。     

光学微腔的应用和发展前景

随着激光技术的不断发展,高Q值光学微腔受到广泛关注,其应用领域不仅局限于传统光学,在量子信息和集成量子芯片方面更是有广阔的应用前景。简要分析了两种不同类型光学微腔(回音壁模式光学微腔和光子晶体缺陷腔)的原理、发展历程以及相对于传统光学谐振腔的优势。同时数值模拟出了不同结构光学微腔的模式分布。基于其特殊优势,介绍回音壁模式光学微腔在激光技术、生物探测以及量子物理领域的重要应用,并且预测光子晶体微腔将在集成光学、微电子技术等领域具有巨大的发展前景。     

双曲声子极化激元的近场调控综述

在实际应用中，有效的操控极化激元给纳米光子器件、亚波长成像、异常折射等领域带来了巨大的发展前景而广受关注，但传统介质材料中的极化激元的调控灵活度相对较低，不能满足现实的广阔需要成为具有挑战性的难题。然而，声子极化激元作为一种光子——声子强耦合的新型准粒子，与其他的极化激元相比，具有更强的束缚光的能力、更长的寿命以及更低的损耗，在亚波长尺度红外光调控领域能够发挥举足轻重的作用。近年来，随着对二维范德瓦尔斯晶体的相关研究及报道，能够承载双曲声子极化激元的介质材料步入大众视野，并且在具有超高分辨率的纳米成像技术的支持下，很多新颖的近场红外光学现象在多种操控手段下被发掘，这极大的丰富了人们对于极化激元的认知。此综述首先从双曲声子极化激元的机理入手，介绍了声子极化激元的概念、色散关系和近期被广泛关注的双曲介质（h-BN、α-MoO₃）。随后，总结了双曲声子极化激元在上述介质中的不同传播特性以及多种维度调控下的近场成像分析，例如改变范德华晶体的周围介质环境、谐振腔、金属天线的面内调控等等。最后，我们对声子极化激元的研究进行了展望。多样的调控手段展现了声子极化激元的丰富应用，这对纳米成像、集成光路、纳米透镜等红外纳米光子器件提供可借鉴的途径，同时在未来可能还会衍生出更多新兴领域。     

光子晶体中矢量场的Bloch定理

光场的亥姆霍兹方程与薛定谔方程十分相似,因而当介电常数具有周期性时,在光子晶体能带结构中也可能存在带隙.频率落在光子带隙内的光波不能在光子晶体中传播.这种类似半导体的周期性电介质结构称为光子晶体,它有一个显著的特点是可以利用带结构中可能存在的带隙,如人所愿的控制光子运动.光子晶体的应用非常广泛,可以制作高性能器件:新型的平面天线、光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜等. Bloch定理是光子晶体理论中平面波方法和传输矩阵法的重要理论基础.文章运用量子力学中的算符理论,将 Bloch定理由标量场推广到矢量场;发现这是电介质材料具有空间平移对称性的直接结论.(OA12)     

基于二维光子晶体射频带通滤波器的研究

为了提高无线通信系统的传输质量,提出了一种新型基于二维光子晶体射频带通滤波器,滤波器的结构由线缺陷波导和Aubry-André-Harper (AAH)谐振腔组成。通过改变AAH谐振腔与输出波导间介质柱的半径,增加它们之间的耦合系数,从而实现在1666.64μm处射频波段的滤波。仿真结果表明:该射频滤波器性能优良,通带中心波长为1666μm,透射率为0.99,通带插入损耗为0.06 dB,品质因数Q值为1×10⁴,器件尺寸小,结构简单,易于大规模集成。     

新型电磁(光子)晶体贴片天线的研究进展

介绍了新型电磁（光子）晶体贴片天线的研究进展，尤其是几种新型光子晶体贴片天线。这些光子晶体贴片天线采用基底钻孔、地面腐蚀、加高阻抗表面以及基底上表面腐蚀等方法在贴处天线中加入光子晶体结构，改善了以高介电常数介质为基底的贴片天线的性能，也为贴片天线集成在微波电路上开辟了途径。光子晶体贴片天线这种集低剖面，易集成有好辐射性能于一身的新型天线，必将在移动通信等许多领域发挥作用。     

光子晶体波导与微腔耦合的三通道波分复用器

为了实现对光波有效的选择输出,并且使光波的带宽很小,设计了微腔耦合的三通道波分复用器。对该器件采用时域有限差分法和微腔与波导间耦合模进行研究。首先,根据微腔选择不同频率的光波,设计光子晶体滤波器模型。然后,基于光子晶体耦合模理论,由定向耦合波导和一个高品质因子微腔构成的波分复用器。最后,为了提高输出光的透射效率,在波分复用结构的主波导的输出端,增加五个介质柱,形成一个反射层。实验结果表明:此结构能够通过微腔选择不同频率的光波,经过优化设计后的波分复用模型,光波的透射率得到了提高,波长λ=1.763μm的光波达到透射率将近90%。在光子晶体中取多个微腔可以选择输出更多波长的光波,所以这种结构在光子晶体集成器件的制作上有很好的应用前景。     

美首次演示纳米尺度波导

据美国物理学家组织网报道，美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室的科学家演示了首个真正的纳米尺度的波导，这种名为“混合等离激元”的准粒子可广泛应用于新一代的光子集成电路和光子计算机中。相关论文发表在最新一期《自然·通讯》杂志上。     

光子晶体中矢量的Bloch定理

众所周知,在半导体中,由于势场的周期性,使得电子的能量呈带状结构,带和带之间可能有间隙带隙;它可以通过解周期场下的薛定谔方程来得到.光场的亥姆霍兹方程十分相似;因而当介电常数具有周期性时,在光子晶体能带结构中也可能存在带隙,频率落在光子带隙内的光波不能在光子晶体中传播.这种类似半导体的周期性电介质结构称为光子晶体.这种材料有一个显著的特点是它可以利用带结构中可能存在的带隙,如人所愿的控制光子的运动.因此,光子晶体的应用非常广泛,可以制作高性能器件:新型的平面天线、光子晶体波导、光子晶体微腔、光子晶体光纤、光子晶体超棱镜等. Bloch定理是光子晶体理论中平面波方法和传输矩阵法的重要理论基础.本文运用量子力学中的算符理论,将Bloch定理由标量场推广到矢量场;发现这是电介质材料具有空间平移对称性的直接结论.(PH12)     

一种高双折射低损耗椭圆双芯光子晶体光纤的特性分析

为了获得高双折射低损耗的光子晶体光纤,设计了一种椭圆双芯,包层为三角晶格排列的光子晶体光纤。运用全矢量有限元法研究了光纤的空气孔间距与双折射值、非线性特性、模场面积、限制损耗及色散的关系。研究结果表明:在波长为1.55μm处,光纤基模的双折射值达0.04343;X、Y偏振方向的非线性系数分别为48.832 W^-1·km^-1和46.286 W^-1·km^-1,同时,X方向的限制损耗低至8.242×10^-9d B/km;在0.85～1.8μm波长范围内,色散都为正常负色散。     

色散平坦高非线性超低损耗双折射PCF有限元仿真

光子晶体光纤(PCF)的内部结构及材料对传输特性具有重要影响,构建PCF的仿真模型能够快速有效地优化光纤的设计和缩短研制周期。采用全矢量有限元数值仿真方法,研究了结构参数对PCF的模式特征、双折射、非线性、有效面积、限制损耗和色散等特性指标的调控机制,并通过在纤芯中心位置引入轴对称分布椭圆形空气孔的方式,实现了在1. 55μm波长处获得了高达1. 39×10^-2的双折射、10^-7量级的限制损耗和高达37. 98 W^-1·km^-1、44. 39 W^-1·km^-1的HE₁₁^x、HE₁₁^y非线性系数,以及在0. 8～2. 0μm波段获得了色散值为-1. 3±0. 3 ps/(km·nm)的近零色散平坦。     

光子晶体器件研究进展

本文简述了光子晶体的基本概念和性质,重点阐述了用光子晶体制作的各类有源和无源器件.这些器件包括微腔、激光器、发光二极管、波导、光纤和滤波器等,解释了器件的工作原理.