具有光学结构的超导纳米线吸收效率的仿真

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的系统探测效率由纳米线与光子的耦合效率、纳米线的吸收效率以及纳米线吸收光子后能产生电压脉冲的本征量子效率决定。设计了一种带有防反射层、谐振腔、布拉格反射镜等结构的SNSPD。利用COMSOL软件的射频模块对这种新型结构的SNSPD进行了仿真,结果表明具有光学结构的SNSPD将有助于提高系统探测效率。     

超导纳米线单光子探测器件的制备

超导纳米线单光子探测器件(SNSPD)是超导单光子探测系统的核心器件。文中介绍了成功制备的基于5nm厚的NbN超导超薄薄膜的SNSPD器件。器件核心结构为150nm宽的纳米曲折线结构,纳米线条占空比为75%,面积为20μm×20μm。超导纳米线是利用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)等工艺技术制备的。所制备的SNSPD样品,在温度3.5K下的临界电流约12.9μA;在1310nm波长光波辐照,12.5μA的偏置电流下,探测效率约0.016%。     

强吸收结构高速超导纳米线单光子探测器

本文研究具有强吸收结构的高速超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的设计与仿真.该SNSPD基于高折射率入射介质和空气腔结构,可以提高超导纳米线的光子吸收率.与现有超导单光子探测器结构相比,在相同材料和厚度的超导超薄膜制成纳米线的条件下,用更低的占空比就可以实现接近于100%的吸收率,这使得电子束曝光步骤的难度大大降低.而SOI衬底的采用则可以同时保证超导薄膜的高质量生长,不影响探测器的本征量子效率.另外,在保证同样大的有效探测面积的条件下,由于需要的纳米线的总长度显著减小,制备过程中发生缺陷的概率显著降低,探测器的最高计数率可以得到提升.     

一维光子晶体带隙结构对不同偏振态的角度和波长响应

用传输矩阵法计算了一维光子晶体带隙结构对不同偏振态入射光的角度和波长响应. 结果表明，对P偏振态，带隙的宽度明显小于S偏振态. 对于角度响应，两种偏振态有相同的变化趋势，但变化量不同. 而对于波长响应，两种偏振态表现出不同的变化趋势. 引入了“广义布儒斯特角”的概念. 理论分析表明，当光以此角射入光子晶体时，S偏振态入射光的禁带完全保留，而P偏振态入射光的禁带完全消失，从而可以在S偏振态入射光的禁带背景中用P偏振态入射光获得受主掺杂模式. 同时还给出了实验验证结果. 关键词： 体积全息图 光子晶体 偏振     

纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性研究术

在可见光波段（λ=750nm）,实验研究了在端面辅助情况下,细纳米银线波导中表面等离极化波激发和辐射的偏振特性．实验发现在细纳米银线中,不同偏振态的入射光对应的表面等离极化激元的激发和传输效率有明显不同,但对应的出射光始终为方向恒定的线偏振光．对于化学合成的纳米银线,端面的轴对称性普遍比较好,对此类纳米银线进行激发时,如果入射光偏振态与纳米线近似平行,则激发和传输表面等离极化激元的效率最高;如果正交,激发和传输效率则最低．对于某些端面轴对称性较差的纳米银线,如端面为尖端或类斜面,当入射光偏振态与纳米线有一定夹角时,激发和传输表面等离极化激元的效率最高．在入射光偏振改变的过程中出射光的偏振方向始终与纳米银线平行．最后结合有限元差分方法理论解释了纳米银线中这种偏振特性的物理机理．利用纳米银线中表面等离极化激元激发和辐射的偏振特性,可以在亚波长尺寸上实现对光强和偏振态的调控．     

氮化铌纳米线光学特性

氮化铌(NbN)纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用的光敏材料,其光学性质是影响SNSPD性能的关键因素.本文结合实验数据和仿真结果,系统研究了多种NbN超导纳米线探测器器件结构的光学特性,表征了以下四种器件结构下的反射光谱以及透射光谱:1)双面热氧化硅衬底背面对光结构;2)双面SiN硅衬底背面对光结构;3)硅衬底上以金层+SiN缓冲层为反射镜的正面对光结构;4)以分布式布拉格反射镜(DBR)为衬底的正面对光结构.并在上述四种器件结构基础上,生长了不同厚度的NbN薄膜,观察不同厚度NbN薄膜的吸收效率.经分析,发现在不同器件结构下的最佳NbN厚度与光吸收率的关系如下:双面热氧化硅衬底上的NbN层在1606 nm处最大吸收率为91.7%,其余结构在最佳NbN厚度条件下吸收率都能达到99%以上.其中双面SiN的硅衬底结构中最大吸收率为99.3%, Au+SiN为99.8%, DBR为99.9%.最后,将DBR器件实测结果与仿真结果进行了差异性分析.这些结果对高效率SNSPD设计与研制具有指导意义.     

基于锥形硅纳米线色彩分辨探测能力仿真

基于拜尔滤波片(bayer filter)彩色成像技术在集成度和分辨率都已经接近极限,无滤波片(filter-free)的彩色成像单元得到广泛的关注和研究.纳米线自身腔模式可以实现对不同能量的光空间分布,通过对纳米线形貌调控实现色彩分辨探测.本文使用有限元法构建了能依靠自身结构完成分光目的,能够作为光探测器的锥形纳米线器件.数值模拟结果显示,能够根据器件的顶半径、底半径、长度和材料等相关参数调整器件涵盖的波长范围和分辨率等重要参数,并具体分析了如何进行调控.同时进一步分析了该结构在实际制备器件时以及不同角度入射光下的器件性能.这些研究结果对于将锥形结构纳米线作为光探测器的实际应用有重要的参考意义.     

基于亚波长偏振光栅的偏振光分束器设计

利用琼斯矩阵和矢量傅里叶系数方法分析了二元亚波长偏振光栅的偏振特性和衍射效率,并给出了相应的数学解析式.研究发现,通过入射光的偏振可以控制不同衍射输出级的偏振态,且0级输入偏振态与输出偏振态始终相同,而其它级次除线偏光外都与入射偏振态相反.当二元亚波长偏振光栅的位相延迟分别设置为0.62π和π时,可以将二元亚波长偏振光栅设计为1→3或1→2的偏振光分束器,且分束器具有衍射效率高、宽带宽、对入射角的变化不甚敏感的特点.     

铌/铝SNSPD的光耦合结构和性能表征

对铌/铝超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的光耦合结构和性能表征进行了研究。通过溅射与剥离的方法制作了超薄铌/铝SNSPD,设计了带有激光准直器的光耦合结构和封装方法,并搭建了可靠的低温测试系统。在700m K下表征了SNSPD的直流特性,得到了单光子响应脉冲和1550nm波长下的探测效率,并研究了探测效率和暗计数率与偏置电流的关系。     

基于表面等离激元的偏振态控制光开关

利用四个Au纳米棒组成的类矩形纳米棒四聚体结构设计了一种基于偏振态控制的光开关,并采用有限元法研究了该结构对入射光偏振态的响应特性.研究发现,该结构的透射光谱对入射光的偏振方向具有很强的依赖性,当入射光的偏振角度变化π/2时,其特征峰的开关比分别能达到27.81dB和21.65dB.分析表明,该结构的开关效应主要由不同偏振态下所导致的水平双纳米棒和竖直双纳米棒之间的近场耦合强度不同而实现,该结构透射系数与偏振角度的关系服从Malus law.此外,通过改变类矩形纳米棒阵列结构参数,研究了结构参数对其光开关响应特性的影响.在此基础上,通过改变阵列的周期参数,研究了入射光水平偏振和垂直偏振下周期参数对单元结构透射光谱的影响.该研究结果能够为可调谐双波长偏振光开关的设计提供理论依据.     

基于电热模型的SNSPD 响应过程模拟与时间抖动分析

超导单光子探测器(SNSPD) 具有高探测效率, 低时间抖动、 低暗计数率、 高计数率等优点. 文章通过对纳米线电热过程的建模, 分析了纳米线的电热响应过程, 探讨了负载电阻、 偏置电流和动态电感对 SNSPD 响应时间的影响, 结合蒙特卡洛方法来模拟研究了纳米线空间不均匀性对于SNSPD 时间抖动的影响, 结果表明随着纳米线空间不均匀性的增加, 纳米线的时间抖动不断增加, 并求出了典型的时间抖动约为7.73 ps     

基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器（特邀）

针对单层硼烯吸光效率低的难题，提出了一种基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器件，通过入射光直接激发高度局域的塔姆等离激元模式，深入研究了硼烯的近红外光学响应。仿真结果表明，所设计的硼烯/一维光子晶体结构能够有效提高硼烯的吸光效率，相比单层硼烯提升了一个数量级。同时器件在不同面内晶体方向上表现出强烈的各向异性。通过改变硼烯狄拉克电子密度，将器件在x和y偏振方向上的吸光效率提高至95.52%和96.63%，对应共振吸收波长为1 550 nm和1 607 nm。此外，通过改变一维光子晶体结构、氧化铝间隔层厚度及单层硼烯在间隔层中的位置等参数能够实现对吸收效率及吸收波长的灵活调控。该器件具有吸收效率高、工作波段可调等显著优点，可为发展下一代片上集成光电器件提供机遇。     

自差分交流偏置超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能,在量子信息、激光雷达等方面有广泛的应用.通常, SNSPD工作在直流偏置下,在时域上具有自由运行探测的优点.而在卫星激光测距、单光子激光雷达等光信号到达时间有规律的应用场景中,使用交流偏置有望提升器件运行速率、有效抑制背景暗计数,却存在信号读出困难的棘手问题.本文报道了自差分读出的交流偏置SNSPD系统,该系统包含两根并行排布纳米线构成的2-pixel SNSPD器件.给两根纳米线加载相同的100 MHz交流偏置信号,并对两路输出信号差分使噪声信号相抵消,实现光子响应信号的读出.基于该方法测得,响应信号的信噪比相比差分之前提升10倍,在交流偏置下器件的暗计数降低至直流偏置下的约1/4,计数率达到直流偏置下的约1.5倍.本文为交流偏置SNSPD测试提供了一种思路,为其应用提供参考数据.     

基于相变材料的慢光和吸收可切换多功能太赫兹超材料

基于相变材料Ge₂Sb₂Te₅(GST)设计了一种太赫兹超材料,在太赫兹波段实现了慢光和吸收功能的切换.该超材料由三部分构成,分别是金环构成的微结构层、SiO₂介质层和GST薄膜.研究结果表明:当GST薄膜处于绝缘态时,由于两个谐振环的电磁诱导透明效应,入射THz光脉冲通过该THz超材料时群速度会减慢,最大群延迟可以达到3.6 ps;当GST薄膜转变为金属态时, THz超材料可实现双波段吸收,在0.365 THz处吸收率可以达到97%,在0.609 THz处吸收率可以实现完美吸收(吸收率100%).另外还研究了该THz超材料的入射光偏振不敏感特性,发现当入射光脉冲的偏振角从0°变化到90°时, THz超材料的慢光和吸收特性不受影响.所设计的THz超材料在光缓存器、光传感器、光开关等领域具有潜在的应用价值.     

含石墨烯临界耦合谐振器的吸收特性研究

临界耦合谐振器是一种薄膜结构, 可以吸收几乎所有的入射电磁波而不产生散射. 为了有效的实现和控制临界耦合现象, 本文提出了在临界耦合结构中加入了基于石墨烯的多层薄膜结构来代替原来的吸收薄膜层. 计算表明临界耦合现象出现在近红外波段, 且可以通过调节石墨烯的费米能级来获得不同的临界耦合频率; 另外改变多层薄膜结构中介质的厚度、石墨烯的层数, 实现了临界耦合现象的可调谐性, 同时对于弛豫时间和入射角度对吸收效率的影响也做了相应讨论. 本文理论结果为基于石墨烯的临界耦合器件和光探测器件的设计提供了理论依据.     

亚波长光栅的偏振闪耀特性

 使用琼斯矩阵的方法推导了连续结构亚波长光栅的衍射方程,给出了光栅衍射效率表达式,对偏振特性与衍射特性进行了研究。发现连续结构亚波长光栅仅存在３个衍射级,总衍射效率为100%,且衍射效率可在衍射级间任意分配,0级的偏振态与入射光的偏振态相同,±1级衍射光偏振态与入射光无关,－1级为左旋圆偏振光,＋1级为右旋圆偏振光。通过设置入射光偏振态与光栅相位延迟等参数,可使光栅具有闪耀特性,据此可用于设计高效偏振光分束器和偏振光开关。     

基于石墨烯/黑磷异质结构的各向异性表面等离激元共振光谱及红外传感特性(特邀)

针对单层黑磷表面等离激元器件存在吸光效率低的难题,提出了一种基于石墨烯/黑磷异质结构的各向异性表面等离激元器件,系统研究了其共振光谱及红外传感特性。所设计的石墨烯/黑磷异质结构和非对称类法珀腔结构能够有效提高器件的吸光效率,通过优化器件中谐振腔的厚度将器件在x和y偏振方向上的吸光效率提高至95.54%和97.44%。此外,通过改变入射光的偏振方向动态调控器件的共振波长,实现了对8 nm厚聚环氧乙烷分子v(COC)_s和r(CH_2)_a振动模式的选择性探测,其最高增强倍数分别为88和155。该各向异性表面等离激元器件具有工作波段可调谐、增强倍数高等优点,在痕量物质分析中具有广阔的应用前景。     

双对称性破缺Au-TiO_2-Ag三层纳米杯的LSPR特性研究

设计了一种双对称性破缺Au-TiO_2-Ag三层纳米杯结构,采用有限元方法分析了其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性,并采用等离激元杂化理论对LSPR现象进行理论分析。分别仿真了入射光偏振态、核壳结构参数和外界介质折射率对Au-TiO_2-Ag三层纳米杯消光光谱的影响。研究结果表明,当入射光偏振方向垂直于对称轴方向时,可将反对称横向耦合模式ω-⊥〉1的共振峰波长调谐至近红外区域1100nm附近,同时该模式共振波长随外界介质折射率的增大产生红移,这一特性可在生物传感领域得到广泛的应用。     

基于Nb/Al材料结构的超导纳米线单光子探测器的光学表征（英文）

本文主要研究了作为可见光和近红外光波段Nb基单光子探测器.在本文中概述了Nb+Al结构的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的制备,并对制备出的SNSPD器件进行了直流表征,测试了其超导转变温度,并从中选取了直流特性良好的样品进行了光学表征.当单光子探测器被一个直流偏置在其临界电流以下并接近临界电流值时,激光器发出的1550nm波段的光子脉冲到达单光子探测器,使其产生电学信号.20nm厚的SNSPD不能对单光子产生反应;5nm厚的SNSPD可以探测单个光子,并且计算了其系统探测效率.     

嵌入式镀膜光栅的数值模拟研究

嵌入式镀膜光栅是将平行四边形的介质膜层,以亚波长量级的周期嵌入波导中.针对该光栅在不同偏振态、不同角度入射下的各级衍射效率问题,本文基于严格耦合波分析理论,对该光栅进行建模与数值分析.结果表明,在TE模入射时,该光栅的一级衍射效率可随膜厚在[0,37％]内变化,其余非零级次的衍射效率低于2％.衍射特性可以满足平视器成像的效率递增要求,同时可以减少能量的损失与杂散成像光线.当入射光束的角度在纵向[45°,70°]、横向[-15°,15°]内变化时,一级衍射效率的变化平稳,可以保持平视器不同视场的成像能量均匀.针对入射光偏振态、光栅材料、嵌入膜层倾角、光栅周期对衍射特性的影响,给出了相应的数值分析,可为波导全息平视器中衍射元件的制作提供理论指导.