微纳光子器件智能设计与应用

目录 **部分硅基片上微纳光子器件 第1章耦合器理论3 1.1引言3 1.2波导光栅器件设计理论4 1.2.1波导光栅结构4 1.2.2布拉格条件5 1.2.3波矢图6 1.3严格耦合波解析方法7 1.4FDTD数值方法11 参考文献13 第2章硅基波导模斑转换器15 2.1引言15 2.2基本原理和设计方案17 2.2.1相位补偿原理17 2.2.2设计与优化19 2.3基于光学透镜的锥形模斑转换器21 2.4拓展延伸24 2.5本章小结27 参考文献27 第3章偏振相关波导器件29 3.1引言29 3.2定向耦合型TM偏振起偏器及分束器的研究30 3.2.1研究背景30 3.2.2设计TM型偏振起偏器的基本原理31 3.2.3定向耦合器的基本原理32 3.2.4设计TM型偏振器参数优化33 3.2.5本节小结38 3.3偏振不敏感MMI分束器38 3.3.1研究背景38 3.3.2自成像原理39 3.3.3多模干涉耦合器的干涉模式40 3.3.4多模干涉耦合器的设计41 3.3.5本节小结45 3.4本章总结46 参考文献46 第4章硅基波导光栅耦合器的设计48 4.1引言48 4.2阶梯型波导光栅耦合器的设计及模拟48 4.3二元闪耀光栅耦合器的设计及模拟52 4.3.1等效介质膜理论52 4.3.2二元闪耀光栅占空比55 4.3.3二元闪耀光栅的设计及数值模拟57 4.4对称式全刻蚀啁啾型亚波长二元闪耀光栅分束器62 参考文献66 第二部分石墨烯太赫兹波束调控器件 第5章石墨烯电磁特性及波束调控原理69 5.1引言69 5.2石墨烯的电磁特性69 5.2.1石墨烯的能带结构70 5.2.2石墨烯的电导率72 5.2.3石墨烯的可调谐特性74 5.2.4石墨烯的表面等离激元74 5.3广义斯内尔定律82 5.4涡旋光束的基本原理85 5.4.1涡旋光束的性质85 5.4.2涡旋光束的产生方法86 5.5有限元算法简介87 5.6本章小结88 参考文献89 第6章基于单电极调控的波束摆扫与动态聚焦器件93 6.1引言93 6.2波束调控器件研究现状94 6.3非均匀周期性结构的特性分析97 6.3.1结构单元特性分析98 6.3.2绝缘介质层厚度的优化101 6.3.3传统设计方法的缺陷102 6.4单电极调控的波束摆扫器件103 6.4.1单电极控制的波束摆扫器件设计103 6.4.2不同尺寸器件的性能对比106 6.4.3波束摆扫器的宽带特性分析108 6.5单电极调控的可变焦超透镜109 6.5.1可变焦超透镜的设计109 6.5.2可变焦超透镜的可调特性分析111 6.5.3可变焦超透镜的宽带特性分析112 6.6本章小结113 参考文献114 第7章基于开口谐振环的可调偏振转换与波束调控器件116 7.1引言116 7.2可调偏振转换超材料的研究现状116 7.3超薄的可调偏振转换器件117 7.3.1结构设计与响应特性分析117 7.3.2偏振转换原理分析119 7.3.3偏振转换效率的可调性121 7.4偏振转换与分束器件123 7.4.1开口谐振环的相位特性分析123 7.4.2偏振分束器的结构设计与分析124 7.5偏振转换与聚焦器件128 7.5.1偏振聚焦超透镜设计128 7.5.2偏振聚焦超透镜特性分析131 7.6本章小结132 参考文献133 第8章基于交叉形结构的可调涡旋光生成器件135 8.1引言135 8.2基于超表面方式产生涡旋光的机理分析136 8.3交叉形谐振单元的提出与特性分析138 8.3.1常规设计结构的缺陷138 8.3.2交叉形谐振结构单元的提出140 8.3.3交叉结构谐振单元的特性分析141 8.4不可调控涡旋光生成器设计143 8.4.1不可调控螺旋相位板的结构设计143 8.4.2不可调涡旋光生成器的效果分析146 8.5可调控涡旋光束生成器设计147 8.5.1可调螺旋相位板的参数选取147 8.5.2可调涡旋光束生成器效果分析149 8.6本章小结151 参考文献151 第三部分超表面和光子晶体器件 第9章基于相变材料的近红外可调平面透镜155 9.1引言155 9.2设计方法156 9.2.1几何相位原理156 9.2.2相变材料调控159 9.2.3单元结构设计161 9.2.4平面透镜设计166 9.3平面透镜调控效果167 9.3.1平面透镜开关调控效果167 9.3.2平面透镜连续调控效果169 9.4平面透镜宽带特性与鲁棒性171 9.4.1平面透镜宽带特性171 9.4.2平面透镜鲁棒性172 9.5本章小结175 参考文献176 第10章中红外动态可调平面透镜阵列180 10.1引言180 10.2相变材料GST可调平面透镜阵列182 10.2.1材料与设计方法182 10.2.2可调平面透镜阵列186 10.3VO2平面透镜阵列192 10.3.1单元结构设计192 10.3.2VO2可调平面透镜阵列调控效果194 10.4本章小结195 参考文献196 第11章基于混合材料超表面的可调电磁感应透明效应198 11.1引言198 11.2相变材料的光学特性199 11.3电磁感应透明效应203 11.4基于相变材料硅超表面的近红外可调电磁感应透明效应207 11.4.1结构、材料与仿真方法208 11.4.2结果与讨论209 11.5基于相变材料金属超表面的太赫兹可调电磁感应透明效应214 11.5.1结构、材料与仿真方法214 11.5.2结果与讨论215 11.6本章小结223 参考文献224 第12章对称光子晶体中的连续域束缚态研究228 12.1引言228 12.2光学连续域束缚态简介229 12.3多极子展开法232 12.4对称光子晶体中的连续域束缚态235 12.4.1几何结构与调制方案235 12.4.2光谱与本征模式分析236 12.4.3品质因子分析240 12.4.4多极子展开分析242 12.4.5非对称调制方案243 12.4.6损耗与基底的影响244 12.5本章小结247 参考文献247 第四部分微纳光子器件的智能算法设计 第13章可扩展的宽带偏振分束器251 13.1偏振分束器251 13.2基于目标优先优化算法的偏振分束器设计253 13.2.1器件结构与优化区域尺寸选取253 13.2.2器件的目标优先优化设计258 13.3梯度下降与水平集方法260 13.3.1梯度下降法的定义260 13.3.2梯度下降法的优化流程260 13.3.3梯度下降法的优化结果263 13.3.4水平集方法264 13.3.5水平集演化结果267 13.4本章小结267 参考文献270 第14章聚焦波长分束器272 14.1基于逆向设计算法的多功能器件272 14.2聚焦波长分束器273 14.2.1建模274 14.2.2二值化276 14.2.3正则化279 14.2.4加工测试281 14.2.5测试结果285 14.2.6鲁棒性分析287 14.2.7三通道聚焦波长分束器288 14.3本章小结289 参考文献289 第五部分微纳光子器件的应用 第15章偏振不敏感量子干涉仪293 15.1研究背景293 15.2偏振不敏感量子干涉仪的设计295 15.2.1MMI多模干涉耦合器的原理295 15.2.2MMI分束器参数的优化295 15.2.3MZI的工作原理300 15.3本章总结302 参考文献303 第16章偏振不敏感3×3量子干涉系统304 16.1研究背景304 16.2基本原理305 16.2.1 3×3量子干涉仪的基本原理305 16.2.2偏振不敏感3×3MMI耦合器的设计308 16.2.3偏振不敏感3×3MMI耦合器参数优化310 16.3本章总结314 参考文献315 第17章热伪装微结构设计及其应用316 17.1引言316 17.2热伪装的基本理论317 17.2.1热成像基本原理317 17.2.2中红外大气透明窗口318 17.3基于反向设计的微结构应用于兼容热管理的热伪装319 17.3.1热伪装超表面结构设计320 17.3.2热伪装超表面原理分析322 17.3.3热伪装超表面性能评价324 17.4激光操控热伪装微结构及多功能热伪装329 17.4.1热伪装微结构设计及制备329 17.4.2热伪装性能表征及热源伪装数值模拟334 参考文献343 第18章红外辐射调控及其应用346 18.1引言346 18.2基于反向设计的太阳光吸收体346 18.2.1反向设计超表面结构347 18.2.2单层纳米柱及双层纳米柱数值模拟分析347 18.2.3反向设计超表面性能评估352 18.3基于反向设计的类光子晶体辐射器应用于辐射冷却358 18.3.1类光子晶体辐射器反向设计358 18.3.2类光子晶体辐射器性能评估361 18.4基于石墨烯的可调器件设计及其应用368 18.4.1石墨烯超表面图案化设计368 18.4.2石墨烯电导率可调理论369 18.4.3石墨烯超表面应用于多功能光器件调制370 参考文献378