Band-stop optical nanofilters with split-ring resonators based on metal–insulator–metal structure

Novel band-stop filters with circular split-ring resonators based on the metal–insulator–metal(MIM) structure are presented, with their transmission properties of SPPs propagating through the filter simulated by the finite-difference timedomain(FDTD) method. The variation of the gap of the split ring can affect the transmission characteristics, i.e., the transmission spectrum of SPPs exhibiting a shift, which is useful for modulating the filter. Linear and nonlinear media are used in the resonator respectively. By varying the refractive index of the linear medium, the transmission properties can be changed obviously, and the effect caused by changing the incident intensity with a nonlinear medium is similar.Several resonant modes that are applicable can be enhanced by changing the position of the gap of the split ring. Thus, the transmission properties can be modulated by adjusting the size of the gap, varying the refractive index, and changing the incident intensity of the input light. These methods may play significant roles in applications of optical integrated circuits and nanostructural devices.     

基于振动弛豫理论提高光抽运太赫兹激光器输出功率的研究

以半经典密度矩阵理论和分子振动弛豫理论为基础,研究添加适当比例缓冲气体与适当减小波导芯径对光抽运太赫兹激光器输出光强的影响.计算结果表明,加入适当比例缓冲气体或适当减小波导的芯径均能提高太赫兹激光的输出光强;同时优化两个参数能进一步提高抽运激光能量转化为太赫兹激光能量的效率,延长工作腔中的有效激活区,延缓抽运饱和效应的出现,提高太赫兹激光输出光强.该研究对提高光抽运太赫兹激光器的能量转化效率、提高光抽运太赫兹激光器的输出功率及实现光抽运太赫兹激光器的小型化有重要的指导意义.     

多光子吸收对差频产生太赫兹波影响的理论研究

理论分析了双光子和三光子吸收对非线性材料差频产生太赫兹(THz)波的影响,在不同抽运功率下,计算了相位失配情况下晶体的最佳作用长度和THz的最大量子转化效率,并将其与相位匹配情况进行对比。研究结果表明,抽运功率不太高时,多光子吸收对差频产生THz波影响不大;随着抽运功率的提高,多光子吸收的影响变得显著;抽运功率较高时,相位匹配与相位失配情况下,双光子和三光子吸收效应都增加了晶体的最佳作用长度,降低了THz的最大转化效率。研究了降低多光子吸收的方法。     

具有分离门的电抽运多层石墨烯负动态电导率的理论研究

本文提出了具有分离门的电抽运多层石墨烯结构, 建立了电诱导n-i-p结的理论模型, 计算了集居数反转的条件下与带内和带间跃迁相关的动态电导率, 讨论了偏置电压、门电压、石墨烯层数以及动量弛豫时间对动态电导率的影响. 结果表明, 在一定条件下, 动态电导率的实部在太赫兹范围内可以是负的, 即带间辐射大于带内吸收, 论证了电抽运多层石墨烯结构作为产生太赫兹相干光源的激活物质的可行性.     

基于1.06μm波长的谐振腔型石墨烯光电探测器的信噪比分析

雪崩光电二极管由于具有高增益特性而广泛应用于激光测距机中,但由于在电流倍增过程中引入的高附加噪声,使激光测距机进一步提高信噪比遇到了瓶颈。石墨烯具有高电子迁移率、零带隙结构、独特光吸收系数等特性使其广泛应用于激光器、光调制器、透明电极以及超快光电探测器。该研究提出了一种高信噪比的谐振腔型石墨烯光电探测器的设计方法。以波长为1.06μm的激光为例,采用光学传输矩阵法和散射矩阵法,研究了光波在谐振腔传输和吸收层吸收的机理,建立了谐振腔型光电探测器的光吸收模型,通过优化,器件最终量子效率达到91.2%,响应度达到0.778A·W~(-1),半高全宽达到6nm;分析石墨烯在谐振腔中的位置对器件吸收率的影响,发现在满足谐振条件下,器件吸收率随石墨烯位置呈现周期性变化,腔长的改变不改变吸收率峰值,而是改变了吸收率峰值对应的石墨烯在谐振腔中的位置,当腔长是入射光半波长的n倍时,随着石墨烯位置变化,将出现2n个吸收率峰值,且关于谐振腔中心点对称分布;选择石墨烯距顶层反射镜0.402 8μm时,器件吸收率达到94%,相比单层石墨烯,吸收率提高了16dB;通过对比求解谐振腔型石墨烯光电探测器和雪崩光电二极管信噪比方程,得出谐振腔型石墨烯光电探测器信噪比可达到90.3,较雪崩光电二极管提高了10dB;理论分析表明,谐振腔型石墨烯光电探测器具有高吸收率、高量子效率和高信噪比,研究成果将对激光测距机接收系统中光电探测器的更新设计和应用提供理论参考。     

基于格林函数法研究金属线栅在太赫兹波段的散射特性

本文运用格林函数法分析金属线栅在太赫兹(THz)波段的散射特性, 研究金属线栅的衍射效应对其传输特性的影响. 研究结果表明, 在零级衍射区入射电磁波的透过振幅随a/λ的增大单调增加, 在零级衍射极限处透过振幅达到最大值. 过渡区的临界频率处, 由于衍射效应的加强, 出现入射电磁波透过曲线的振荡. 衍射区受到衍射效应的影响入射电磁波透射振幅曲线总体下降, 并随a/λ的增大单调减少. 与微波传输线方法相比, 该方法摆脱了入射电磁波的波长需大于线栅常数且要求线栅的厚度远远小于金属线的宽度的限制, 能准确的分析系统的电磁场的分布特性, 更具普适性. 关键词： 金属线栅 太赫兹波 散射 格林函数法     

具有双周期势的石墨烯超晶格电子带隙和传输特性的研究

运用传输矩阵理论,研究了双周期势石墨烯超晶格(GSL)的电子带隙和传输特性。结果表明,这种准周期结构存在一个新的狄拉克点,并且它的位置恰好位于零平均波数带隙处;与传统的布拉格带隙相比,这种带隙的位置对晶格常数和入射角度的变化不敏感。讨论了入射角度对电子在双周期势中传输特性的影响,预言了双周期势中可控的电子传输过程,定量分析了允带宽度与周期总数目的幂指数关系。     

基于谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计及性能分析

提出了一种具有超薄有源层的谐振腔增强型石墨烯光电探测器的设计方法,利用谐振腔结构可以将光场限制在腔内,有效增强探测器的吸收.通过研究谐振腔内光场谐振条件及谐振模式下探测器响应度增强的机理,建立了驻波效应下谐振腔增强型石墨烯光电探测器光吸收模型,仿真分析谐振腔反射镜反射率、谐振腔腔长对于腔内光场增强器件性能的影响.理论分析表明,谐振腔增强型石墨烯光电探测器在850 nm处响应度可达0.5 A/W,相比无腔状态下提高了32倍;半高全宽为10 nm.采用谐振腔结构能够提高石墨烯光电探测器件的光电响应,为解决光电探测器响应度与响应速度之间的相互制约关系提供了途径.     

多层石墨烯纳米带光电探测器理论与性能分析

多层石墨烯具有超宽的光谱吸收范围及独特的光电性能,是制作下一代光电探测器件的理想材料。以石墨烯的带间隧穿理论为基础,提出了一个多层石墨烯纳米带结构的光电探测器模型,纳米带的两端与源极和漏极相连,夹在半导体基质和上下栅极之间。利用这个模型,建立了多层石墨烯纳米带探测器的光电转换机制,讨论了上栅极电压不同时探测器的工作原理,研究了源-漏极间光电流及暗电流与入射光能量的关系,探讨了探测器的偏置电压,耗尽层长度以及带隙取值对暗电流的影响,并分析了不同参数下探测器响应率以及探测率随入射光能量的变化关系。结果表明,探测器的响应率随纳米带层数的增加而增加,受带隙,耗尽层长度和偏置电压的影响,最大的响应率约为103 A·W-1; 通过限制上栅压,带隙等变量可以控制系统暗电流,增大探测器的探测率,最高探测率约为109 cm·Hz1/2·W-1。多层石墨烯纳米带结构可以增强探测器对入射光的吸收,提高探测器的灵敏度以及对弱光的探测能力,实现对太赫兹到远红外波段入射光的有效探测,探测性能远高于许多量子结构和窄带半导体结构的光电探测器。