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硅波导集成高质量超构光栅支持连续体中的束缚态
摘要： 连续体中的光子束缚态（BIC）是一种空间受限的本征态，可通过具有超高品质因子的超腔模式实现。这种高品质超腔共振可由光子晶体平板、非对称超表面和高对比度光栅支持。然而这些方案均存在器件体积庞大和实验装置复杂的问题。本文提出并验证了一种硅波导集成的高品质超构光栅作为操控超腔模式的新平台。该浅脊超构光栅直接嵌入硅平板波导中，使输入的平板模式能耦合至谐振脊模式，并通过波导内法布里-珀罗干涉进一步转化为超腔模式——这一效应已通过制备器件得到实验验证。研究还实验实现了工作在超腔模式附近的超构光栅，其品质因子高达≈5200。作为应用，该高品质超构光栅被用于实现温度传感，测得高温灵敏度≈77 pm K?1。所提出的集成化超构光栅为利用BIC提供了新途径，为开发具有高性能、芯片级尺寸和长期稳定性的新一代BIC纳米光子器件开辟了道路。
关键词： 波导、连续体中的束缚态、硅光子学、超构光栅
更新于2025-09-23 15:19:57
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[2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）- 西班牙格拉纳达（2019年9月9日-13日）] 2019年电气与先进应用电磁学国际会议（ICEAA）——利用超晶格特性设计矩形波导模式转换器
摘要： 我们通过详细的解析建模，探究了超表面光栅在矩形波导（RWG）TE10至TE20模式转换器设计中的潜力。此类转换器在功率合成器[1]和模分复用器等应用中具有重要意义。而超表面光栅作为可极化粒子（超原子）的周期性阵列，能通过定制结构自由度——将能量定向引导至目标Floquet-Bloch（FB）模式，同时利用相消干涉抑制非目标FB通道——高效操控电磁波前，适用于分束、异常反射折射等先进波束调控场景[2-3]。本文将该物理机制应用于RWG这一新型电磁系统以实现完美模式耦合。如图1(a)所示，设计方案由位于理想电导体（PEC）终端前方(x0,z0)位置的容性加载细导线构成：TE10模式从输入端口激励该导线。要实现TE10到TE20模式的单位效率耦合需满足两个条件：其一，通过导线激发的一阶FB模式与PEC反射TE10模式的干涉消除反向反射；其二，波导内任意z>z0平面通过的净实功率为零以保证无源无损设计[2]。通过将文献[3]解析模型扩展至RWG，可严格建立这些前提条件，进而半解析求解加载导线位置(x0,z0)与负载阻抗密度（印刷电容宽度）等可调参数。为验证该设计理念，我们在14GHz频段构建转换器——无需全波优化即实现97%以上的耦合效率。商业仿真软件（CST）验证结果[图1(b)(c)]与理论预测高度吻合。该方案为开发高效波导模式转换器提供了新途径，无需采用鳍线、E面/H面弯曲等复杂结构[1,4,5]。
关键词： 弗洛凯-布洛赫模式、超构光栅、TE10到TE20、矩形波导、模式转换器
更新于2025-09-12 10:27:22
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大角度、宽带且多功能定向波导散射光栅
摘要： 传统表面浮雕光栅在偏转垂直入射光的大角度时效率较低，这限制了基于光栅的光学仪器的整体效率，也制约了其在诸多领域的应用。本研究展示了一种简单方法，可设计出对大偏转角保持高效且具备附加功能的衍射光栅。该光栅由垂直定向非对称槽波导单元构成，其单元展现出可通过波导长度精确调控的振荡单向散射特性——这是入射光激发结构内多模态干涉所致。与采用多个共振子元件的超表面光栅不同，这种非共振衍射单元的周期性排列能实现宽带运行，并对入射角变化具有强耐受性。全波模拟表明：当偏转角为47°时，该光栅设计衍射效率可达94%；偏转角80°时仍保持80%效率。为验证方法的多功能性，我们还演示了平面偏振分束器与偏振不敏感光栅的实现。
关键词： 定向散射、槽波导、衍射光栅、超构光栅、双各向异性
更新于2025-09-12 10:27:22
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019年6月23日-27日）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 基于单超构光栅的稳健偏振测量技术
摘要： 利用超薄纳米结构超构光栅实现单次光学偏振测量，为多种应用开辟了新途径，可同时测量经典与量子偏振态。尽管已取得重大进展，但现有技术需在超表面交错排布多个超构光栅来分离不同偏振分量对，这导致衍射效率受限并影响光束质量。近期研究虽展示了单超构光栅偏振测量方案，却需额外线性偏振片——该方案会衰减检测光强、降低器件紧凑性并增加系统复杂度。我们提出基于单超构光栅的新型偏振测量概念方法，突破了既有方案的固有局限。研究发现这些局限源于试图复现基于近完美偏振器的传统偏振测量模式（每次测量对应特定偏振分量）。实际上，超表面通常表现为非完美（部分）偏振器集合，而我们的关键发现是：在此机制下可实现完整的斯托克斯偏振重构。具体而言，我们基于量子力学中的正算子值测度（POVM）形式体系，开发了严格的偏振测量方法。该方法从根本上消除了超表面设计限制，并能在显著制造误差下保持稳健运行。
关键词： 超构光栅、偏振重构、偏振测量学、超表面、POVM（正算子值测度）
更新于2025-09-11 14:15:04
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用于传感和调制的超窄带超构光栅吸收器
摘要： 纳米结构等离子体超材料是实现窄带光学吸收的绝佳平台，在传感、滤波、调制及发射调控等领域具有广泛应用。然而，要实现亚纳米级吸收带宽以满足光学传感和光动态控制需求仍具挑战性。本研究提出一种非对称超晶格结构，利用具有低损耗特性的传播表面等离子体激元模式，在1.55微米波长附近实现了带宽仅0.28纳米的完美光学吸收。该结构仅需调整参数即可在溶液环境中作为可见光谱范围的化学/生物传感器使用，其灵敏度达440纳米/折射率单位（RIU），品质因数高达1333.33 RIU?1。此外，通过将该超晶格与有机电光材料结合，器件可实现15.52分贝动态范围的可重构特性。因此，本超晶格平台不仅能作为超窄带吸收器，还可应用于光学传感与光动态控制领域。
关键词： 传感、光学吸收、超构光栅、等离子体超材料、调制
更新于2025-09-10 09:29:36