石墨烯-介质纳米线混合波导亚波长传输特性

设计了一种由圆形硅纳米线和涂覆石墨烯的三角形纳米线组成的混合等离激元波导结构,采用有限元方法研究了该波导中的基模场分布和亚波长传输特性。利用硅纳米线波导周围的倏逝波与石墨烯的耦合,大幅提升了等离激元波导的亚波长传输性能。研究结果表明,三角形顶角大小、间隙距离、石墨烯费米能级等对模式的传输特性有很大影响。所设计的波导结构具有强光场局域、低损耗传播和高品质因数等优点。与同类型结构相比,所设计的波导综合性能更优,有望应用于波导集成型等离激元光器件中,如调制器、纳米激光器等。     

三维光场限制的混合表面等离子体纳米激光器

设计了一种带圆角的金属脊和低折射率空气间隙的新型混合表面等离子体波导结构。基于有限元法建立数学模型,在工作波长为489nm的可见光波段研究了该波导的电场分布、归一化模式面积、传输距离、品质因子和珀塞尔因子随金属脊曲率半径的变化情况。结果表明,调整结构参数可使波导实现超深亚波长的光场限制,同时获得较大的SPPs辐射增强倍数。在最优几何参数(纳米线半径为95nm,金属脊曲率半径为20nm)下,波导有效模式面积为0.0037λ2,品质因子为268,珀塞尔因子为65,增益阈值为0.2768μm-1,其表征激光增强值为69800。该激光器谐振腔具有超强的局域能力和激光增强能力,可以实现超深亚波长的低阈值激射。     

一种新型表面等离激元波导系统

提出了一种新型表面等离激元波导系统,并对其模式特性和对纳米微粒产生的光学力进行了研究。采用有限元软件(COMSOL)对该系统进行了数值模拟和理论分析,发现在该结构纳米级的间隙中可以形成深亚波长电磁能量的束缚。由于双波导结构之间强烈的耦合作用,相比于已有的一些表面等离激元波导,光学力至少提高了一个数量级,达到了4 200fN/W以上,同时被捕获粒子的局域范围仅有几十纳米。该波导系统可以用于强力、高精度纳米级光镊的设计和研究。     

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器

提出了一种基于混合表面等离子体波导(HPW)的纳米激光器,并对其进行了理论研究和仿真分析。此结构通过金属-介质界面的表面等离子体模式与高增益介质半导体纳米线波导模式耦合,使中间的空气间隙场强得到显著增大,并保持低损耗传输,实现对输出光场的深亚波长约束。通过对几何参数进行优化,得到具有较小阈值和较高品质因数的纳米激光器。与边缘耦合混合表面等离子体纳米激光器比较可知,当二者的几何参数相同时,基于HPW的纳米激光器具有更小的阈值。     

基于T型腔结构的表面等离子体波导滤波器

表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)能将光场束缚在亚波长量级,可以突破衍射极限,被认为是有希望实现纳米集成光学器件的载体之一。设计了一种T型腔结构的表面等离子体波导滤波器,并且利用时域有限差分(FDTD)法对其滤波特性进行了分析。结果表明,改变T型腔的长度和宽度可以改变透射谱的中心波长,而改变腔与耦合波导之间的间距,则可以调节腔的Q值。     

一种表面等离子体激元定向耦合器的传输特性

利用三维全矢量时域有限差分法(FDTD)数值模拟了一种波导间隔金属条高度小于金属层厚度的表面等离子体激元(SPP)定向耦合器,并分析了其在基模传输时的模式场分布和能流密度分布,讨论了耦合长度、最大转移功率与间隔金属条高度的变化关系。结果表明,波导内沿纵向的能流密度在靠近间隔金属条部分的强度更大,有助于提高波导间耦合效率,并且当减小间隔金属条的高度时可以有效缩短定向耦合器耦合长度。这种亚波长定向耦合器结构可以应用在基于表面等离子体激元的集成光路中。     

带有对称三角肋的混合表面等离子体波导

设计了一种金属三角肋和增益介质三角肋完全对称并带有圆柱形空气缝隙的新型混合等离子体波导结构。采用COMSOL Multiphysics软件,分别仿真了波导的二维和三维耦合电场分布模型,并基于有限元法分析了波导的模式特性。研究结果表明:当工作波长为1550 nm时,设计的波导结构具有很强的光场约束能力、超长的传输距离、超低的传输损耗和增益阈值。对波导的结构参数进行了优化,当波导的有效模场面积达到0.0022λ~2时,波导的传输距离能够达到69805 nm,传输损耗低至0.0017;基于此波导的激光器也具有很低的增益阈值,为49.3 cm~(-1)。最后研究了实际制备过程中可能出现的制作误差对波导性能的影响,并分析得出此波导结构对制作误差具有较高的容忍度。与同类型带有空气缝隙的波导结构相比,此波导的综合性能更优,在各种集成纳米光子设备中具有很大的应用潜力。     

内腔亚波长光栅MEMS VCSELs的波长调谐范围

微机电系统(MEMS)垂直腔面发射激光器(VCSELs)是一种特殊光源,具有低功耗、高调制速率、宽波长调谐范围、易耦合等优点,被广泛应用于激光通信领域。为提升激光器工作性能,如扩大波长调谐范围、提高偏振对比度等,需要优化内腔亚波长光栅结构参数来改善腔内光场分布以及偏振输出模式。基于等效介质理论(EMT),并结合薄膜理论设计了针对调谐范围中心波长为850nm、GaAs材料的亚波长光栅的较优周期、占空比、脊高的取值。分析了横电(TE)、横磁(TM)光,占空比与脊高对光栅透射率的影响。另外,通过系统模拟,对比了未刻蚀光栅、光栅未优化及光栅优化后的激光器波长调谐范围,结果表明:针对特定波长调谐范围及光栅材料,通过优化光栅参数可实现光栅对TE或TM光的增透,增强半导体腔和空气隙之间光场的耦合,进而扩大激光器的波长调谐范围。     

银纳米线-三角片耦合结构发射光的偏振依赖特性

银纳米线可以承载传播的表面等离激元,纳米片可以产生局域的表面等离激元,二者形成的耦合结构不但可以将传播光场耦合为局域增强光场,还可以调控光场的偏振态等性质,为纳米光调控提供新的自由度。本团队构建了银纳米线-三角片耦合结构,并发现耦合结构的发射偏振与纳米线-三角片的耦合方式有关：当三角片与纳米线之间是“线”接触耦合时,耦合结构的发射偏振随着激发偏振的旋转而旋转;当二者是“点”接触耦合时,无论激发偏振如何变化,发射偏振角度几乎保持160°不变。进一步,利用时域有限差分法验证了出射偏振对入射偏振的依赖特性。通过计算自由电流密度体积分揭示了纳米线中传播的表面等离激元模式与银纳米线-三角片耦合模式的转化机制,以及不同表面等离激元模式的叠加对发射偏振的调控。这些发现为纳米尺度上的光调控以及在纳米尺度上构建纳米光子器件提供了更多灵活性。     

超薄金属膜V-型槽等离子波导的定向耦合研究

分析了在 1 550 nm 波长下超薄金属膜(金膜厚t=10 nm)V-型槽等离子波导间长程沟道等离激元导模的定向耦合。通过计算不同波导间距下的模式分布,得出了定向耦合器中奇、偶模有效折射率实部和传播长度随波导间距的变化情况,并进一步计算了相邻波导间的耦合长度、最大串扰与波导间距的关系曲线。计算结果表明:在波导间距较小时,耦合长度小于各模式的传播长度,随着波导间距的增加,耦合长度随之增加,最大串扰随之减小。对超薄金属膜V-型槽等离子波导的定向耦研究在集成光路的实际应用中具有重要的价值。     

基于人工表面等离激元的半模间隙波导带通滤波器北大核心CSCD

本文设计出一种带宽可控的带通滤波器,将人工表面等离激元（spoof surface plasmon polaritons, SSPPs）引入半模槽间隙波导（half-mode groove gap waveguide, HMGGW）结构。在所提出的模型中,人工表面等离激元的低通特性和半模槽间隙波导的阻带特性相结合,可以实现带通特性。通带的上截止频率可由SSPP单元的长度来调节,通带的下截止频率可由半模槽间隙波导的高度进行调节。本文所设计的模型,通带范围为19.4～26.7GHz,相对带宽为31.7%,该模型结构简单,制造方便。     

基于对称型齿波导和纳米盘的类EIT和慢光效应

设计了一种新型的基于金属表面等离子体激元（SPPs）的亚波长金属-绝缘体-金属（MIM）型类电磁诱导透明（EIT）系统,该系统由一个直波导及其两边对称的齿形腔和纳米盘耦合而成。利用耦合模式理论对结构进行分析,并通过时域有限差分方法（FDTD）进行数值模拟。当齿形腔和纳米盘的共振频率相近,可以获得类EIT效应,改变齿形腔的长度和纳米盘的半径可以调节透明窗的位置。该装置可以用作高性能的类EIT滤波器,透过率高达77.5%,半高宽低至35.5 nm,群指数高达65,为高度集成光网络提供了一种新的方法,可应用于波长选择器、超快开关、光存储等设备。     

金属脊-三角形半导体型混合表面等离子体波导研究

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析。主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数。结果表明：在工作波长为1550nm时,通过优化参数,其有效模场面积达到0.00193,传输长度为37.7um,质量因数为4853,该结构具有较低的损耗。与金属平板混合波导结构相比,本文设计的结构具有更大的质量因数,更强的光场限制能力,波导的综合性能更好。这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔的应用前景。     

介质加载型混合表面等离子体波导的损耗特性

为实现长距离传输及亚波长尺度的模式限制,在传统介质加载型表面等离子结构的基础上,设计了一种微孔介质加载混合表面等离子体波导,采用时域有限差分法(FDTD)对该波导模式场分布及传输特性进行了相应的研究。研究表明所设计的波导结构具有较强的局域场限制,通过在孔内填充增益介质,使混合等离子体波导的传输损耗得到了补偿,输出端的表面等离子激元实现了增益放大。结果表明,通过调整波导的几何参数和电磁参数,可以显著提高波导的场限制,降低波导本身的损耗,其中当孔与金属之间距离为44 nm时,波导的损耗达最小约为-13 dB/m。这一设计可以为光子器件集成提供一定的理论和实验借鉴价值。     

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、     

808 nm大功率无铝有源区非对称波导结构激光器

采用分别限制非对称波导结构,将光场从对称分布变为非对称分布,降低了载流子光吸收损耗,并允许p型区具有更高的掺杂水平,从而使器件电阻降低.对GaAsP/GaInP张应变单量子阱(SQW)非对称波导结构激光器的光场特性进行了理论分析,设计了波导层厚度,并制作了波长为808 nm的无铝有源区大功率半导体激光器.器件综合特性测试结果为:腔长900μm器件的阈值电流密度典型值为400 A/cm2,内损耗低至1.0 cm-1;连续工作条件下,150μm条宽器件输出功率达到6 W,最大斜率效率为1.25 W/A.器件激射波长为807.5 nm,平行和垂直结的发散角分别为3.0°和34.8°.20~70℃范围内特征温度达到133 K.结果表明,分别限制非对称波导结构是降低内损耗,提高大功率半导体激光器特性的有效措施.     

基于有源介质的增益辅助无损耗混合表面等离子体波导

设计了一种基于有源介质的增益辅助无损耗条形 混合表面等离子体 波导。利用有限元算法,理论分析了混合表面等离子体波导在通信波段的传输特 性。结果表明,此波导在突破衍射极限的亚波长光场限制下可实现约10μm的 传输长度。在混合表面等离子体波导中引入泵浦增益后,可以实现光信号的无损 耗传输,从而实现在亚波长光场限制下的无限长传输。此类混合表面等离子 体波导兼具结构简单和易于制备等优点,在光 互联、光子集成电路、光通信和光信息处理等方面有重要的潜在应用。     

金属脊-三角形半导体型混合表面等离子体波导

提出了一种新颖的基于金属脊-三角形半导体的混合表面等离子体波导结构,基于有限元法对该波导结构进行了数值仿真和分析.主要研究了该结构的电场分布、传输长度、归一化模场面积和质量因数.结果表明:在工作波长为1 550 nm时,通过优化参数,其有效模场面积达到0.00193 λ~2,传输长度为37.7μm,质量因数为4853,该结构具有较低的损耗.与金属平板混合波导结构相比,具有更大的质量因数,更强的光场限制能力,波导的综合性能更好.这种波导结构在微纳米光子学、光电子通讯和光信息存储等领域具有广阔应用前景.     

基于表面等离激元的谐振腔侧面耦合MDM结构波导滤波器色散关系及透射谱

研究了一类L形和矩形谐振腔侧面耦合MDM结构亚波长表面等离激元滤波器的色散关系和透射谱。研究结果表明等效折射率的实部和虚部在短波部分变化较大,在长波部分（800 nm-2000 nm）趋于稳定值,传播距离随着波长的增加和介质层厚度的增加均增加,当波导宽度在50 nm以上时,SPPs的传播距离在所研究的波长范围为4-9 um,可以满足纳米光子器件的尺寸要求;通过对侧面 型谐振腔和矩形谐振腔耦合的透射谱研究表明在保持腔体总长度不变的情况下,两种耦合方式所产生的光谱曲线完全相似,说明禁带的出现只与谐振腔的长度有关系,对集成光子器件的研发具有一定的参考意义。     

1967～2033 nm波段硅基可调谐外腔半导体激光器设计与仿真

2μm波长附近可调谐半导体激光器在分子光谱学和光通信领域中有广阔的应用前景。基于绝缘体上硅（SOI）平台,对2μm波长附近可调谐半导体激光器的外腔部分进行了设计优化。分析了不同尺寸光波导的模式损耗特性、单个微环谐振腔受总线波导耦合间距的作用以及总线波导光反馈终端对外腔半导体激光器性能的影响。并提出了一种具有高工艺兼容度的多模环形光波导光反馈结构。所设计的可调谐半导体激光器硅基外腔可通过环形波导上的镍铬合金微加热器进行0.1 nm/K的高精度调谐,对单个微加热器施加3.2 V电压时,调谐范围可达66 nm(1967～2033 nm)。