金属-DBR-金属结构中光学Tamm态的弱耦合特性研究

当金属-分布式Bragg反射镜-金属(M1-DBR-M2)结构中的DBR周期数比较大时,M1-DBR-M2中的两光学Tamm态(OTS)发生弱耦合。通过研究M1-DBR-M2结构中OTS弱耦合情况下的反射光谱和OTS本征波长电场分布,揭示了弱耦合情况下的OTS和光隧穿效应。研究结果表明:在弱耦合情况下,金属薄膜M1的厚度影响了OTS的本征波长,而金属薄膜M2的厚度对OTS的本征波长没影响。虽然弱耦合情况下只能激发M1-DBR交界面处的OTS1,但电场局域现象并不是仅仅发生在M1-DBR交界面处,光可以穿过DBR到达并被局域在DBR-M2交界面处,存在光的隧穿效应。光隧穿效应的强弱与两OTS的本征波长失谐量大小有关,本征波长失谐量越小,光隧穿效应越强。两OTS的本征波长失谐量的大小,也影响了光在M1-DBR-M2结构中局域的强弱,本征波长失谐量越小,光的局域现象越强,反射光谱中凹峰处的反射率越小。

金属材料对M-PC-M结构中光学Tamm态的影响

为了研究金属材料对金属-光子晶体-金属结构中的Tamm态的影响,采用DrudeLorentz色散模型研究了金和银复折射率的特性,得出了复折射率的实部和虚部随波长的变化规律。并对Au-PC-Au和Ag-PC-Ag中的光学Tamm态随金属厚度、入射角、周期数的变化规律进行了对比研究。得出:在Au-PC-Au和Ag-PC-Ag中都会出现两个光学Tamm态,即OTS1和OTS2。Au-PC-Au和Ag-PC-Ag中光学Tamm态的中心波长和透射峰值随金属厚度、入射角、周期数的变化规律是一致的。但Ag-PC-Ag中光学Tamm态的透射峰值明显大于Au-PC-Au中光学Tamm态的透射峰值,Ag-PC-Ag中OTS1和OTS2的分离程度明显大于Au-PC-Au中OTS1和OTS2的分离程度。

金属介电常数的色散模型对光学Tamm态的影响

比较银介电常数三种色散模型对光学Tamm态的影响,根据三种色散模型的复折射率随波长的变化研究银-光子晶体-银结构TE波和TM波的光学Tamm态随入射角、银层厚度及周期数的变化.得出:三种色散模型下银-光子晶体-银结构中都会出现两个光学Tamm态(OTS1和OTS2).三种色散模型下的光学Tamm态的波长随入射角、银层厚度及周期数的变化规律一致.但是光学Tamm态的透射峰值随入射角、银层厚度及周期数的变化规律不一致.Drude-Lorentz模型和Lorentz模型能够描述银的特征,而Drude模型不能.

Drude-Lorentz色散模型研究光学Tamm态的性质

为了获得光学Tamm态(OTS)的特性,建立了一种银-光子晶体-银结构,并利用银的Drude-Lorentz色散模型和特征矩阵法研究了该结构中OTS的波长特性和吸收特性。结果表明,在该结构中存在两个OTS,分别称为OTS_1和OTS_2。OTS_1和OTS_2的中心波长随入射角的增加向短波方向移动,OTS_1和OTS_2的中心波长间距随着入射角的增加而减小。OTS_1和OTS_2中心波长随银层厚度的增加向短波方向移动,OTS_1和OTS_2的波长宽度都随银层厚度的增加而减小。OTS_1和OTS_2都具有较大的吸收率,OTS_1和OTS_2的吸收率随银层厚度有着相似的变化规律。这些特性的获得加深了对银-光子晶体-银结构中光学Tamm态特性的认识。

基于光学tamm态的石墨烯光开关的研究

提出了一种基于光学tamm态(OTS)的石墨烯光开关方案。在该方案中,利用在金属-分布式布拉格反射镜界面处产生的OTS,以及石墨烯的电控特性,通过改变外加电压来改变石墨烯的折射率,使OTS的本征波长发生漂移,光的反射率由最低点上升至高反射区,从而实现光开关的通断控制。利用有限元法和时域有限差分法对提出的光开关进行了仿真研究。研究结果表明,当入射波长为846.5nm时,可以实现光开关,其插入损耗为0.88dB,消光比约为12.7dB,响应时间约为1.36ps。该光开关具有插入损耗低和响应时间快的优势,在未来的光通信系统和光信息处理系统中具有很好的应用前景。

一种研究M-PC-M结构中光学Tamm态的新方法

为了建立一种研究M-PC-M结构中光学Tamm态的新方法,建立了M-PC-M结构的谐振腔模型,利用光的干涉原理推导出光通过M-PC-M结构的透射率公式,将这一公式称为M-PC-M结构中光学Tamm态的干涉理论。将干涉理论和特征矩阵法进行了对比研究,得出:干涉理论不仅能够解决特征矩阵法所能解决的全部问题,并且能够弥补了特征矩阵法的不足。因此,涉理论是一种比特征矩阵法更优的研究方法。

基于光学Tamm态的广角度完美吸收

基于光学Tamm态设计了一个金属-DBR结构,利用传输矩阵理论,通过光子带隙中的反射谱dip位置来确定光学Tamm态(OTS)的本征波长,并进而研究了OTS的有关特征。在金属-DBR结构的界面处,存在着TE、TM模式的两种光学Tamm态,且可以用一般电磁波入射来激发。金属层厚度对OTS的本征波长及其相应的吸收率影响较大。随着金属层厚度的增加,OTS的本征波长将出现蓝移现象,即波长变短,最后逐渐趋近于一个稳定值,而结构对OTS的吸收率则出现一个峰值效应。当金属Ag层的厚度为39nm时,结构对OTS的吸收率接近于1,即完美吸收。进一步的研究表明,这一结构参数的金属-DBR结构,可以实现广角度的完美吸收。

对称结构光子晶体的表面光学Tamm态

利用传输矩阵理论和等效原理,从能级的角度研究对称结构光子晶体表面光学Tamm态,结果表明:当光子晶体的排列周期无限大时,入射介质与光子晶体间不满足阻抗匹配条件,从而不出现表面光学Tamm态;当光子晶体被截断成有限周期时,其表面可支持表面光学Tamm态的存在,且轴向传播时通带中出现TM和TE偏振的能级简并现象,离轴传播时从通带边缘分离出来的非简并能级被局域于光子晶体表面而形成了表面光学Tamm态;当光子晶体截断参数与最外层高折射率介质匹配时,容易形成束缚性较强的表面光学Tamm态,与最外层低折射率介质匹配时,则难以实现表面光学Tamm态;通过ATR全反射技术对光子晶体表面态进行激发可观察到被激发的耦合共振吸收现象。对称结构光子晶体表面光学Tamm态的特性可为光子晶体光波导和表面波传感器的研究和设计提供指导。

非对称DBR-金属-DBR结构的光学Tamm态理论研究

作为一种特殊的金属表面态,光学Tamm态(OTS)对光的控制和操作具有独到优势,在新一代光子器件设计中备受青睐.本文基于分布式Bragg反射镜(DBR)-金属-DBR(DMD)结构,通过金属两侧DBR中心频率的失配引入不对称机制,设计和控制可见光区域OTS的产生;通过分析反射谱及电场分布特性,揭示了金属两侧OTS的相互作用及变化规律.结果表明:DMD结构可支持两个不同本征波长OTS存在,失配量δ将影响两个OTS的强度及本征波长,即随着δ变化OTS出现上下两个分支;同时,入射光的偏振态、入射角等也对OTS的强度及本征波长具有明显影响.

基于光学Tamm态的石墨烯光调制器

利用光学Tamm态(OTS)在金属-分布式布拉格反射镜(DBR)界面处的局域场增强和石墨烯的电控特性,提出一种基于OTS的石墨烯光调制器。利用有限元法和时域有限差分法对提出的调制器进行仿真研究。研究结果表明:当入射波长为850.7 nm时,在金属-DBR界面处会产生OTS,入射光的反射率比较低;当外加驱动电压大于7.5 V时,OTS的本征波长会发生漂移,入射光的反射率增大,可以实现强度调制。调制器的最大调制深度可达0.96,消光比为14.45 dB,在不考虑电路RC时间常数影响的情况下,调制速率超过600 GHz。该结构石墨烯光调制器在一定波长范围内,可以实现调制深度不同的光调制,在未来的光通信系统和光信息处理系统中具有很好的应用前景。

平面金属等离激元超材料对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用

本文对具有类EIR色散特性的平面金属等离激元超材料(planar plasmonic metamaterials,PPM)对光学Tamm态及相关激射行为的增强作用进行了研究.我们首先运用传输矩阵方法分析了利用PPM结构的色散来增强光学Tamm态对应模式电磁局域密度的可能性.其次,我们将具有类EIR特性的PPM与一维光子晶体(photonic crystal,PC)合在一起设计了一种平面等离激元超材料-光子晶体(PPM-PC)异质结构.研究发现,通过在电磁局域密度最高的PPM结构中(或附近)加入增益介质,可观察到比通常光学Tamm态更强的激射增强效应及更明显的单色性响应.这些特性使得这种PPM-PC结构有望被应用于低阈值激光器、荧光增强等方面.

基于金属/无序光子晶体光学Tamm态的研究

光学Tamm态是一种存在于金属-分布式Bragg反射镜(DBR)结构中的界面模.在金属-DBR结构中,一般是用一维光子晶体结构来充当DBR.而我们的计算表明,当用一维无序光子晶体结构充当DBR时,同样存在类似于光学Tamm态的界面态.这种态与一维光子晶体中的光学Tamm态模式有着相同的性质,如能够被TE和TM模式激发,色散曲线为抛物线性等.这种模式在光学探测、无序激光领域有着潜在的应用.

含石墨烯的金属-分布式布拉格反射镜-金属结构中光学Tamm态的研究

基于光学Tamm态(OTS)的局域场增强特性和石墨烯的电控特性,提出一种含石墨烯的金属-分布式布拉格反射镜-金属(M-DBR-M)复合结构。考虑石墨烯层对介质界面连续性的影响,基于修正的传输矩阵法建立完善的理论模型,并研究结构参数以及驱动电压对OTS特性的影响。结果表明,随着驱动电压的增大,两个OTS的本征波长均发生蓝移,当驱动电压大于石墨烯的突变电压时,本征波长发生蓝移且趋于稳定,说明可以通过电控石墨烯来实现OTS的本征波长在一定范围内动态可调;增大DBR周期数,两个OTS的本征波长分别发生红移和蓝移,说明吸收率对周期数的波动具有鲁棒性;入射端的金属层厚度在25~35 nm之间,能够实现完美吸收;出射端的金属层厚度则在70 nm处有吸收率的极大值。

含光学Tamm态多通道表面等离激元吸收器

提出了基于光学Tamm态耦合的多通道表面等离激元吸收器。通过在金属-电介质-金属波导中引入光子晶体-金属异质结构设计了单向吸收器。对处于带隙范围内正向入射的电磁波,当满足阻抗匹配时产生光学Tamm态,吸收率高达0.988。表面等离激元波导内光子晶体/金属异质结构的非对称性导致单向阻抗匹配和吸收。当波导中引入多个光子晶体/金属异质结构时,由于多重光学Tamm态耦合产生多个劈裂的吸收峰。吸收峰的频率可以通过改变光学Tamm态之间的耦合强度来调节。所提出的多通道单向表面等离激元吸收器将在光学集成电路及太阳能电池等领域具有潜在的应用。

金属-光子晶体-金属结构中偏振光Tamm态的吸收特性

为了研究银-光子晶体-银结构中两种偏振光Tamm态的吸收性质,采用银介电常数的Drude-Lorentz色散模型和特征矩阵法,研究了吸收率随入射角、随周期数以及随银层厚度的变化规律。结果表明,在银-光子晶体-银结构中两种偏振光都会出现两个光学Tamm态(OTS),即OTS_1和OTS_2。两种偏振光的OTS_1和OTS_2的吸收峰值随着入射角的增大而逐渐增大,随着周期数的增大而缓慢增大,随着银层厚度的增大而明显增大。这些结论丰富了对银-光子晶体-银结构中两种偏振光Tamm态的吸收特性的认识。

基于一维光子晶体的Tamm态耦合实现可调双频滤波器

设计一个金属层-DBR-金属层的结构,研究两个相同光学Tamm态的耦合形成的耦合模式的特性。通过传输矩阵法,得出电磁波入射的透射谱。透射谱上有一对间距很小的孪生耦合透射峰。基于这对耦合模式可以实现可调双频窄带滤波器,其通带的位置和间距可以通过改变中间层的一维光子晶体的层数或者改变入射波的入射角度来调节。

金属-石墨烯光子晶体-金属结构的吸收特性

金属-石墨烯光子晶体-金属复合结构可实现多带吸收。为了解该复合结构的吸收特性,采用传输矩阵法,研究了可见光波段结构参量对其多带吸收特性的影响。结果表明,各吸收带的中心波长与石墨烯化学势的大小无关;吸收带的个数与石墨烯光子晶体周期单元个数及电介质层的光学厚度有关;周期单元数越大,介质层光学厚度越大,吸收带的个数就越多;两金属层的厚度对吸收特性的影响存在差异,要使光吸收率尽可能高,衬底一侧的金属层要尽可能厚,入射空间一侧的金属层的厚度则存在一个最优值;垂直入射时合理选择相关参量,各主要吸收峰可有90%以上的吸收率。此研究结果为研制基于石墨烯的多带光吸收器提供了参考。

基于角度独立的OTS的宽角度滤波器

光学Tamm态(optical Tamm states,OTS)是在两种介质的界面形成的一种光学界面态,光学Tamm态对光的控制和操作具有独到优势,因此在光子器件方面有着广阔的应用前景。但是由于对电磁波的入射角度敏感,也限制了其在某些方面的应用。双曲超材料是一种各向异性的超材料,具有独特的色散关系。基于双曲超材料实现的相位变化补偿效应,利用金属-DBR(分布式Bragg反射镜)结构,实现了不依赖角度的光学Tamm态,进而实现了宽角度的滤波器。

含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构的传感特性研究

结合光子晶体的缺陷模式和表面模式特性,提出了一种含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构。该结构由周期性光子晶体、待测样本和外部空气层共同组成,将待测样本直接作为表面缺陷腔。基于光学谐振原理和表面波理论,分析了所提结构的折射率传感机理。讨论了不同吸收介质对所提结构光谱特性的影响。将石墨烯作为吸收介质时,传感结构的品质因子(Q值)明显高于将硫化锌、氧化铝和金属银作为吸收介质的情况;将样本层作为表面缺陷腔,通过光学Tamm态谐振,可实现多次全反射衰荡,使谐振光信号和待测样本充分作用,从而提高了该结构的传感灵敏度。所提结构的Q值为2097.18,灵敏度为1017.98nm/RIU。研究结果对实现待测物的高Q值和高灵敏度检测具有一定的理论参考价值。

金属-光子晶体-金属结构中的双波TE偏振完美吸收

设计了一个一维金属(M1)-光子晶体(PC)-金属(M2)结构,利用传输矩阵理论,通过M1-PC-M2结构反射谱中的dip(凹处)来确定光学Tamm态(OTS),数值计算表明在金属与光子晶体界面处存在两个OTSs,当45 nm≤dM1≤52 nm时,M1-PC-M2结构可同时实现对两个OTSs的横向电场(TE)偏振完美吸收,吸收峰的峰值波长约为743.1 nm与745.7 nm,吸收率均在95%以上。当入射角从0°增大到60°,该结构对两个OTSs的吸收率均在95%以上,同时实现对两个OTSs的TE偏振完美吸收,并且两个吸收峰的峰值波长发生蓝移。当光子晶体周期数在7到15之间变化时,均可实现双波TE偏振完美吸收。