含光栅低维异质结构的电磁波传输特性

By studing the coupling of the eigenmodes of the one dimentional diffraction gratings and multi-layer structures, we will design low dimentional heterostructures containing diffraction gratings to make control of electromagnetic wave propagation. We have studied linear and nonlinear electricmagnetic wave propagation of: 1) heterostructures made of one-dimensional-grating and one-dimensional photonic crystals; 2) subwavelength metal-dielectric gratings. Building on this basis, we will study the realization and applications of high quality Fano and optical EIT-like coupled-resonances through the low dimensional heterostructures. By employing the eigenmode analysis method, the study of electromagnetic wave propagation in heterostructures containing diffraction gratings turns from numerical calculation to theoretical analysis, which leads to deeper insights to the properties of corresponding heterostructures. Furthermore, the transmission and field localization profiles of the coupled-resoances realized by the low dimensional heterostructures are definitely different from that of Lorentzian resonances. We will also give an in-depth study to such features and their applications.

本课题从对各子结构的本征模式的分析出发，研究利用由光栅与多层膜等构造的含光栅低维异质结构来对电磁波传输进行调控。在前期对一维光栅和一维光子晶体组成的低维异质结构以及亚波长金属介质光栅等结构的线性、非线性特性研究的基础上，我们将对含光栅低维异质结构中高品质Fano 型共振和类EIT 效应等多通道耦合谐振现象的实现及其在光信号控制中的应用进行研究。从对光栅与其它结构的本征模式的匹配出发来研究含光栅异质结构的电磁波传输特性，将使对相关结构的研究从传统的数值模拟转化为系统的理论分析,为对该类结构的研究提供了新的思路。另外，这类多通道耦合谐振中的电磁波传输和相应的场局域与通常的Lorentzian 型谐振中的相应特征完全不同，对于相关特性及其应用的研究尚未引起人们足够的重视，我们将深入研究。

项目申请人及参与人围绕光栅和多层膜组成的异质结构的电磁传输特性进行了深入的研究，首先，研究小组研究了传统的导模谐振结构中当波导模在垂直波导层的方向有一个近零的波矢量时的导模谐振的频谱特征。研究结果显示，具有极高品质的导模谐振对结构参数的微小变化非常不敏感。我们还发现这种情况下的导模谐振对入射波的频率（波长）和导波层的介电常数非常敏感。从而，这种结构非常适合用作来增强那些通常较弱的光与物质的相互作用，并且这些增强效应对制备及设计过程中导致的误差并不敏感。利用这种结构，我们提出了一种低阈值、高对比度、低精度要求的全光开关设计。其次，我们研究了一种基于Bloch表面态的谐振结构（GBR）的非标定生物传感器设计。总体说来，GBR结构是一种在Bragg反射镜表面刻蚀光栅层的设计。布拉格反射镜被设计为其一个表面与待测溶液（折射率与水相近）相接并能支持Bloch表面态（光学Tamm态），而光栅被刻蚀在其另外一个表面。选择合适的光栅常数以确保光栅的某一高阶模式（主要研究了正入射情况下的一阶衍射模式）可以耦合到Bragg反射镜的另一侧的光学Bloch表面态。这种结构可以实现背景透射率极低、品质因子极高的Fano型共振。这种结构的共振峰位置主要由Bloch表面态来决定，而Bloch表面态对表面附近的折射率变化是非常敏感的，从而这种结构非常适合传感器的设计。我们首先实现并研究了这种结构传感器的基本特征，然后又对这种这种传感器的灵敏度进行了研究。研究结果显示，当分析透射峰在波长空间的变化从而得到折射率变化信息时，相关传感器的灵敏度与结构中的光栅常数正相关。当透射峰的角度变化用来研究时，其灵敏度与入射角度的余弦值的倒数成正比。特别的，当入射角度设计在70度左右时其灵敏度便可达到128 deg∙RIU-1，这个灵敏度高于现阶段所有文献中记载的相关量，而当设计入射角度更大时，这个灵敏度可以得到很大幅度的增加。