基于光子晶体纳米梁腔的类电磁诱导透明和吸收效应研究
发布时间：2021-08-12 02:37
光子晶体是一种由不同介质材料呈周期性排列的人工微结构。在光子晶体中人为的引入缺陷或者破坏光子晶体的周期性,从而形成光子晶体谐振腔。光子晶体纳米梁（Photonic Crystal Nanobeam,PCN）腔就是一种典型的光子晶体谐振腔,因其有着紧凑的结构、极高的品质因子以及制备相对简单的优势,从而在很多方面都有广泛的应用。本文对基于PCN腔的电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）效应与电磁诱导吸收（Electromagnetically Induced Absorption,EIA）效应进行了研究,并借助石墨烯的费米能级可调来控制PCN腔的损耗来实现对EIT效应和EIA效应的控制。同时,利用理论分析和数值模拟相结合的方法,探索基于PCN的EIT效应和EIA效应的物理机制及其潜在应用。本文紧紧围绕基于光子晶体纳米梁腔的电磁诱导透明和吸收效应这一主题,从光学干涉的方面阐述了两项具体研究工作:（1）设计并提出了一种由硅波导和两个PCN腔组成的PCN腔-波导耦合系统及其理论模型,并通过时域有限差分法（Finite Differ...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：47 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同维度的光子晶体
湘潭大学硕士学位论文3光子晶体的光子带隙能够很好地把受限制通过的光反射回去，从而禁止光的通过。根据布洛赫原理，知道一维光子晶体只会在特定方向上存在光子带隙。PCN腔是一种对称结构器件，主要是由缺陷区、渐变区和反射镜区三部分组成。如图1-2所示渐变型PCN腔为例。在一维光子晶体的结构中使得部分左右对称的气孔呈渐变趋势变化，且在中间引入缺陷，从而形成中心渐变型的PCN腔。相比传统光子器件，PCN腔具有超小的结构、超高的品质因子，可实现高密度集成，在很多领域都有着重要的应用价值。图1-2渐变型光子晶体纳米梁腔[35]1.3石墨烯简介石墨烯[36-39]，一种新型二维材料，因其优异的光、电学性能以及极大的应用前景，受到广大科学家的关注。本文使用石墨烯的表面电导率材料模型来进行数值计算。根据Kubo公式[40]可知，石墨烯的表面电导率（σg）模型由带内和带间项组成，公式如下：22222200()()(2)()()()(2)(2)4(/)ddddgjeffjejffddjj(1.1)其中j=-1,1()exp(()/())1dFBfEkT是费米狄拉克分布，kB是玻尔兹曼常数，EF是石墨烯的费米能级，e是电子电荷，ω是角频率，是简化的普朗克常数，Γ=0.514meV是散射率，T=300K是温度。石墨烯具有可调的表面电导率，常被作为可变折射率涂层掺杂在系统中。在不同费米能级下，（单层）石墨烯的介电常数的实部与虚部如图1-3(a)所示中，可以看到，通过改变石墨烯的费米能级，能够实现对石墨烯电导率的调控。图1-3(b)是一个顶部覆盖石墨烯的硅波导的有效折射率的实部和虚部依赖费米能级变化的函数，可
湘潭大学硕士学位论文4以看到，通过改变石墨烯的费米能级，实现了对硅波导有效折射率的调控。图1-3(a)石墨烯介电常数的实部、虚部的大小依赖费米能级的函数；(b)顶部为石墨烯的500×220nm2单模硅波导的有效折射率的实部和虚部与费米能级的函数。1.4类电磁诱导透明与吸收电磁诱导透明（ElectromagneticallyInducedTransparency,EIT）[41-44]是原子领域里的一种量子干涉效应。由基态到激发态与激发态到亚稳态之间的干涉效应，造成在宽吸收光谱内产生一个狭窄的透明窗口。EIT在光子学中是一种相干的光学非线性，使介质在吸收线周围的狭窄光谱范围内透明。用经典的三能级共振系统[45]来解释，如图1-4(a)所示，在泵浦光的作用下，系统的基态|0>到激发态|1>的偶极跃迁与和亚稳态|2>之间的耦合形成干涉，即|0>→|1>和|0>→|1>→|2>→|1>互相干涉。其特征如图1-4(b)所示，在原来的偶极跃迁所形成的宽吸收谱线内产生透明窗口，即在吸收谱线内实现对光的透过，降低对光的吸收。而透明窗口附近，发生巨大的色散现象，造成透明窗口附近的群折射率变大，造成慢光[46]效果。如果想要实现电磁诱导透明，在量子领域需要具备三个条件：极低的实验温度，高强度的光源以及巨大的实验设备。这让电磁诱导透明现象的发展受到很大的限制。但是随着光子学的发展，人们把电磁诱导透明效应应用到了光子学，不再需要那么苛刻的条件，在普通光以及常温下就能实验，并且还能做到高度集成。在透明窗口内，色散特性发生了巨大的变化，使得EIT效应在慢光器件、非线性光学、光存储、光开关等方面具有很好的应用前景。类EIT效应作为一种相似的相干效应，近年来引起了广泛的关注，并在表面等离激元、光力学系统、耦合光学谐振器、超材料构型等经典系统中得到了证明。特别是在各种类?
本文编号：3337405
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：47 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同维度的光子晶体
湘潭大学硕士学位论文3光子晶体的光子带隙能够很好地把受限制通过的光反射回去，从而禁止光的通过。根据布洛赫原理，知道一维光子晶体只会在特定方向上存在光子带隙。PCN腔是一种对称结构器件，主要是由缺陷区、渐变区和反射镜区三部分组成。如图1-2所示渐变型PCN腔为例。在一维光子晶体的结构中使得部分左右对称的气孔呈渐变趋势变化，且在中间引入缺陷，从而形成中心渐变型的PCN腔。相比传统光子器件，PCN腔具有超小的结构、超高的品质因子，可实现高密度集成，在很多领域都有着重要的应用价值。图1-2渐变型光子晶体纳米梁腔[35]1.3石墨烯简介石墨烯[36-39]，一种新型二维材料，因其优异的光、电学性能以及极大的应用前景，受到广大科学家的关注。本文使用石墨烯的表面电导率材料模型来进行数值计算。根据Kubo公式[40]可知，石墨烯的表面电导率（σg）模型由带内和带间项组成，公式如下：22222200()()(2)()()()(2)(2)4(/)ddddgjeffjejffddjj(1.1)其中j=-1,1()exp(()/())1dFBfEkT是费米狄拉克分布，kB是玻尔兹曼常数，EF是石墨烯的费米能级，e是电子电荷，ω是角频率，是简化的普朗克常数，Γ=0.514meV是散射率，T=300K是温度。石墨烯具有可调的表面电导率，常被作为可变折射率涂层掺杂在系统中。在不同费米能级下，（单层）石墨烯的介电常数的实部与虚部如图1-3(a)所示中，可以看到，通过改变石墨烯的费米能级，能够实现对石墨烯电导率的调控。图1-3(b)是一个顶部覆盖石墨烯的硅波导的有效折射率的实部和虚部依赖费米能级变化的函数，可
湘潭大学硕士学位论文4以看到，通过改变石墨烯的费米能级，实现了对硅波导有效折射率的调控。图1-3(a)石墨烯介电常数的实部、虚部的大小依赖费米能级的函数；(b)顶部为石墨烯的500×220nm2单模硅波导的有效折射率的实部和虚部与费米能级的函数。1.4类电磁诱导透明与吸收电磁诱导透明（ElectromagneticallyInducedTransparency,EIT）[41-44]是原子领域里的一种量子干涉效应。由基态到激发态与激发态到亚稳态之间的干涉效应，造成在宽吸收光谱内产生一个狭窄的透明窗口。EIT在光子学中是一种相干的光学非线性，使介质在吸收线周围的狭窄光谱范围内透明。用经典的三能级共振系统[45]来解释，如图1-4(a)所示，在泵浦光的作用下，系统的基态|0>到激发态|1>的偶极跃迁与和亚稳态|2>之间的耦合形成干涉，即|0>→|1>和|0>→|1>→|2>→|1>互相干涉。其特征如图1-4(b)所示，在原来的偶极跃迁所形成的宽吸收谱线内产生透明窗口，即在吸收谱线内实现对光的透过，降低对光的吸收。而透明窗口附近，发生巨大的色散现象，造成透明窗口附近的群折射率变大，造成慢光[46]效果。如果想要实现电磁诱导透明，在量子领域需要具备三个条件：极低的实验温度，高强度的光源以及巨大的实验设备。这让电磁诱导透明现象的发展受到很大的限制。但是随着光子学的发展，人们把电磁诱导透明效应应用到了光子学，不再需要那么苛刻的条件，在普通光以及常温下就能实验，并且还能做到高度集成。在透明窗口内，色散特性发生了巨大的变化，使得EIT效应在慢光器件、非线性光学、光存储、光开关等方面具有很好的应用前景。类EIT效应作为一种相似的相干效应，近年来引起了广泛的关注，并在表面等离激元、光力学系统、耦合光学谐振器、超材料构型等经典系统中得到了证明。特别是在各种类?
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