吸收波长和吸收效率可控的超材料吸收器

为了使超材料完美吸收器(metamaterial perfect absorber,MPA)能够同时实现吸收效率和吸收波长的控制,本文提出利用二氧化钒(VO2)和石墨烯作为MPA的材料,通过对MPA的结构设计,在红外波段实现了高吸收,吸收效率最高可达99%.研究发现通过改变VO2的温度和石墨烯的化学势,可同时实现MPA吸收效率和吸收波长的控制,吸收效率调制深度和吸收波长调谐范围分别可达97.08%和3.2μm.通过对MPA在吸收波长处的磁场分布分析可以得出,MPA能够产生高吸收是由于其形成了法布里-帕罗(Fabry-Pérot,FP)干涉腔共振,研究发现MPA的结构参数对FP腔的共振波长具有显著的影响.     

基于导模共振滤波器的波长可调谐垂直腔面发射激光器的研究

基于光栅层控制光波传播耦合波方程,设计了能够实现共振波长可调谐的亚波长光栅导模共振滤波器.通过调谐空气层的厚度,滤波器可以实现波长75nm的调谐,线宽均小于或等于1nm.将共振波长可调谐滤波器与中心波长为1.55μm的垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成,形成了激射波长可调谐VCSEL.研究发现激射波长调谐范围与共振波长可调谐滤波器相同,而且在相同空气层厚度下,激射波长可调谐VCSEL的激射波长和共振波长可调谐滤波器的共振波长相同.该VCSEL不仅可以选择激射波长还可对输出横向模式进行选择.     

多横模垂直腔面发射激光器及其波长特性

基于氧化限制型内腔接触垂直腔面发射激光器(VCSEL) 结构设计, 研究了VCSEL的多横模分布及其模式波长分裂特性与氧化孔径尺寸、形状的关系. 在实验基础上, 通过建立有效折射率模型, 并利用标量亥姆霍兹方程的迭代算法理论, 分别对椭圆形氧化孔径和圆形氧化孔径VCSEL的横向模式特性进行模拟研究, 计算得到不同形状孔径的多横模光场分布情况, 同时测量得到高阶横模多频输出光谱. 研究发现, 椭圆氧化孔形状不仅影响横模分布特性, 还会导致每个模式的波长产生分裂, 分裂值可达0.037 nm. 同时, 随着氧化孔径的增大, 波长分裂影响会逐渐减小, 直至趋近于圆形氧化孔径的分布特性. 研究结果为进一步实现氧化限制型VCSEL的多横模锁定提供了有益参考和借鉴.     

一维增透亚波长光栅的研究

将具有高透射性的亚波长光栅置于微机械波长可调谐垂直腔面发射激光器(VCSEL)的内腔当中可以提高波长的调谐范围,为了使波长调谐范围达到最优则必须优化高透射性的亚波长光栅使其透射率达到最大。利用严格耦合波法分析了亚波长光栅的占空比、周期、厚度和入射角对其透射率的影响并找出最优的光栅参数。通过计算分析可得,对于TE和TM偏振存在最佳的占空比使其透射率达到99.5%。在文中条件下,它们对应的占空比分别为0.23和0.80。而光栅厚度对于TE和TM偏振透射率的影响是周期性的,在一个周期内存在一个最佳值使其透射率达到最高。在文中条件下,TE偏振的厚度周期是150 nm,TM偏振的厚度周期是300 nm。当光栅参数不变时,无论是TE还是TM偏振光,它们的透射率只有在垂直入射光栅时(入射角为0°)才能达到最大。而通过等效介质原理可以得出,周期对透射率没有影响。最后计算了透射率在光栅厚度和占空比同时变化时的变化趋势,并从中得出最优的光栅参数。     

基于二维光栅的偏振无关波长可调谐垂直腔面发射激光器

为了能够实现垂直腔面发射激光器(VCSEL)偏振无关特性,提出了将偏振无关光栅与half-VCSEL集成的方法。基于严格耦合波法,分析了光栅参数对偏振无关二维光栅反射特性的影响,经过模拟计算,发现在光栅周期为691～719 nm、光栅宽度为408.73～467.60 nm时,偏振无关二维光栅有210 nm的高反射带宽。将偏振无关二维光栅与中心波长为1.55μm的half-VCSEL进行集成,得到了中心波长为1.55μm的偏振无关波长可调谐VCSEL,经过光学传输矩阵计算,可得该偏振无关波长可调谐VCSEL的波长调谐范围可达93 nm。     

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收.本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ_1=0.553μm、λ_2=0.769μm、λ_3=1.130μm三通道上提高了石墨烯吸收效率,石墨烯吸收效率最高可达41%.对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振.经过模拟分析可知,通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率,而石墨烯化学势仅能对共振峰λ_3的吸收效率有影响.最后优化结构参数,在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上,这可以作为超材料吸收器.     

基于亚波长光栅的VCSEL偏振控制研究

为了确定亚波长光栅在微电机械系统(MEMS)波长可调谐VCSEL不同位置(上DBR上表面、上DBR下表面以及内腔)中实现TE和TM偏振控制的光栅参数范围以及光栅在哪个位置时实现偏振控制最稳定,通过MATLAB建立MEMS波长可调VCSEL的模型,然后计算光栅在3种位置时上反射镜(包括空气隙和光栅)随光栅参数变化的反射率,以此来确定它们实现TE/TM稳定偏振的光栅参数范围(即高反射范围内的参数)。将各自的高反射所对应反射率减去相同光栅参数范围内TM/TE低反射对应的反射率,通过反射率差值确定光栅在哪种位置时MEMS波长可调谐VCSEL实现偏振是最稳定的。最后得出的结论是光栅在上DBR下表面几乎无法控制TM偏振,而将光栅放置于内腔中,无论是在TE偏振控制上还是TM偏振上都是最稳定的。在实现TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少10 cm~(-1);而在实现TM偏振稳定时,在TE偏振稳定的参数范围内,TE的阈值增益比TM最小少5 cm~(-1)。