基于光子晶体纳米梁腔的类电磁诱导透明和吸收效应研究

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光子晶体是一种由不同介质材料呈周期性排列的人工微结构。在光子晶体中人为的引入缺陷或者破坏光子晶体的周期性,从而形成光子晶体谐振腔。光子晶体纳米梁(Photonic Crystal Nanobeam,PCN)腔就是一种典型的光子晶体谐振腔,因其有着紧凑的结构、极高的品质因子以及制备相对简单的优势,从而在很多方面都有广泛的应用。本文对基于PCN腔的电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)效应与电磁诱导吸收(Electromagnetically Induced Absorption,EIA)效应进行了研究,并借助石墨烯的费米能级可调来控制PCN腔的损耗来实现对EIT效应和EIA效应的控制。同时,利用理论分析和数值模拟相结合的方法,探索基于PCN的EIT效应和EIA效应的物理机制及其潜在应用。本文紧紧围绕基于光子晶体纳米梁腔的电磁诱导透明和吸收效应这一主题,从光学干涉的方面阐述了两项具体研究工作:(1)设计并提出了一种由硅波导和两个PCN腔组成的PCN腔-波导耦合系统及其理论模型,并通过时域有限差分法(Finite Difference Time Domain,FDTD)研究了该结构的传输和共振特性以及EIT效应。通过优化两个腔之间的耦合距离,可以实现对形成的类EIT效应产生的透明窗口进行调制,这是由于两个腔近场耦合产生的相消干涉引起的。通过在暗模式腔顶部进一步与石墨烯集成,可以通过调节石墨烯的费米能级来实现对EIT效应的完全开-关调制,而无需重新优化或重新构造结构。结合耦合模理论(Coupled Mode Theory,CMT)的理论分析表明,类EIT效应的主动调制归因于暗模腔损耗的变化。此外,通过改变石墨烯的费米能级还实现了对群时延的主动调制,从而实现了对慢光的控制。(2)设计并提出了一种PCN腔-波导耦合系统,该系统由一个带有PNC辐射腔C1的硅波导与另一个PCN亚辐射腔C2侧耦合而成,以此来研究类EIA效应。当两个腔之间的近场耦合强度足够强时,在系统传输谱中的共振频率处出现了明显的吸收窗口。基于CMT的理论分析表明,吸收窗的形成和演化分别归因于极强的相消干涉、辐射腔与亚辐射腔之间的耦合距离。通过在亚辐射腔顶部进一步与石墨烯集成,可以通过调节石墨烯的费米能级实现类EIA效果的开-关调制,而无需重新优化或重新构造结构。结合CMT的理论分析表明,类EIA效应的主动调制归因于亚辐射腔损耗的变化。此外,还对该系统的慢光和吸收特性进行了一定的研究。
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