匯總了作者團隊近年來在微納光子器件研究領域的**研究成果，系統(tǒng)介紹納米光子器件的工作原理、設計方法、模擬仿真手段、制作工藝、測試流程，以及應用領域等，并就深度學習、神經(jīng)網(wǎng)絡、梯度下降、啟發(fā)式算法，包括遺傳算法、二元搜索算法、粒子群優(yōu)化等AI設計算法在微納光子器件設計領域的應用展開討論。本書按照微納光子器件的種類和應用組織撰寫，第一部分硅基片上微納光子器件，包括第1章～第4章，主要介紹亞波長光柵耦合器、分束器、濾波器等。第二部分石墨烯太赫茲波束調控器件，包括第5章～第8章，主要介紹石墨烯太赫茲波束調控器件。第三部分超表面和光子晶體器件，包括第9章～第12章，主要介紹超透鏡、混合材料超表面等。第四部分微納光子器件的智能算法設計，包括第13章和第14章，主要介紹智能算法所設計的分束器等。第五部分微納光子器件的應用，包括第15章～第18章，主要介紹光量子與熱偽裝方面的應用。
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目錄
第一部分硅基片上微納光子器件
第1章耦合器理論3
1.1引言3
1.2波導光柵器件設計理論4
1.2.1波導光柵結構4
1.2.2布拉格條件5
1.2.3波矢圖6
1.3嚴格耦合波解析方法7
1.4FDTD數(shù)值方法11
參考文獻13
第2章硅基波導模斑轉換器15
2.1引言15
2.2基本原理和設計方案17
2.2.1相位補償原理17
2.2.2設計與優(yōu)化19
2.3基于光學透鏡的錐形模斑轉換器21
2.4拓展延伸24
2.5本章小結27
參考文獻27
第3章偏振相關波導器件29
3.1引言29
3.2定向耦合型TM偏振起偏器及分束器的研究30
3.2.1研究背景30
3.2.2設計TM型偏振起偏器的基本原理31
3.2.3定向耦合器的基本原理32
3.2.4設計TM型偏振器參數(shù)優(yōu)化33
3.2.5本節(jié)小結38
3.3偏振不敏感MMI分束器38
3.3.1研究背景38
3.3.2自成像原理39
3.3.3多模干涉耦合器的干涉模式40
3.3.4多模干涉耦合器的設計41
3.3.5本節(jié)小結45
3.4本章總結46
參考文獻46
第4章硅基波導光柵耦合器的設計48
4.1引言48
4.2階梯型波導光柵耦合器的設計及模擬48
4.3二元閃耀光柵耦合器的設計及模擬52
4.3.1等效介質膜理論52
4.3.2二元閃耀光柵占空比55
4.3.3二元閃耀光柵的設計及數(shù)值模擬57
4.4對稱式全刻蝕啁啾型亞波長二元閃耀光柵分束器62
參考文獻66
第二部分石墨烯太赫茲波束調控器件
第5章石墨烯電磁特性及波束調控原理69
5.1引言69
5.2石墨烯的電磁特性69
5.2.1石墨烯的能帶結構70
5.2.2石墨烯的電導率72
5.2.3石墨烯的可調諧特性74
5.2.4石墨烯的表面等離激元74
5.3廣義斯內爾定律82
5.4渦旋光束的基本原理85
5.4.1渦旋光束的性質85
5.4.2渦旋光束的產(chǎn)生方法86
5.5有限元算法簡介87
5.6本章小結88
參考文獻89
第6章基于單電極調控的波束擺掃與動態(tài)聚焦器件93
6.1引言93
6.2波束調控器件研究現(xiàn)狀94
6.3非均勻周期性結構的特性分析97
6.3.1結構單元特性分析98
6.3.2絕緣介質層厚度的優(yōu)化101
6.3.3傳統(tǒng)設計方法的缺陷102
6.4單電極調控的波束擺掃器件103
6.4.1單電極控制的波束擺掃器件設計103
6.4.2不同尺寸器件的性能對比106
6.4.3波束擺掃器的寬帶特性分析108
6.5單電極調控的可變焦超透鏡109
6.5.1可變焦超透鏡的設計109
6.5.2可變焦超透鏡的可調特性分析111
6.5.3可變焦超透鏡的寬帶特性分析112
6.6本章小結113
參考文獻114
第7章基于開口諧振環(huán)的可調偏振轉換與波束調控器件116
7.1引言116
7.2可調偏振轉換超材料的研究現(xiàn)狀116
7.3超薄的可調偏振轉換器件117
7.3.1結構設計與響應特性分析117
7.3.2偏振轉換原理分析119
7.3.3偏振轉換效率的可調性121
7.4偏振轉換與分束器件123
7.4.1開口諧振環(huán)的相位特性分析123
7.4.2偏振分束器的結構設計與分析124
7.5偏振轉換與聚焦器件128
7.5.1偏振聚焦超透鏡設計128
7.5.2偏振聚焦超透鏡特性分析131
7.6本章小結132
參考文獻133
第8章基于交叉形結構的可調渦旋光生成器件135
8.1引言135
8.2基于超表面方式產(chǎn)生渦旋光的機理分析136
8.3交叉形諧振單元的提出與特性分析138
8.3.1常規(guī)設計結構的缺陷138
8.3.2交叉形諧振結構單元的提出140
8.3.3交叉結構諧振單元的特性分析141
8.4不可調控渦旋光生成器設計143
8.4.1不可調控螺旋相位板的結構設計143
8.4.2不可調渦旋光生成器的效果分析146
8.5可調控渦旋光束生成器設計147
8.5.1可調螺旋相位板的參數(shù)選取147
8.5.2可調渦旋光束生成器效果分析149
8.6本章小結151
參考文獻151
第三部分超表面和光子晶體器件
第9章基于相變材料的近紅外可調平面透鏡155
9.1引言155
9.2設計方法156
9.2.1幾何相位原理156
9.2.2相變材料調控159
9.2.3單元結構設計161
9.2.4平面透鏡設計166
9.3平面透鏡調控效果167
9.3.1平面透鏡開關調控效果167
9.3.2平面透鏡連續(xù)調控效果169
9.4平面透鏡寬帶特性與魯棒性171
9.4.1平面透鏡寬帶特性171
9.4.2平面透鏡魯棒性172
9.5本章小結175
參考文獻176
第10章中紅外動態(tài)可調平面透鏡陣列180
10.1引言180
10.2相變材料GST可調平面透鏡陣列182
10.2.1材料與設計方法182
10.2.2可調平面透鏡陣列186
10.3VO2平面透鏡陣列192
10.3.1單元結構設計192
10.3.2VO2可調平面透鏡陣列調控效果194
10.4本章小結195
參考文獻196
第11章基于混合材料超表面的可調電磁感應透明效應198
11.1引言198
11.2相變材料的光學特性199
11.3電磁感應透明效應203
11.4基于相變材料硅超表面的近紅外可調電磁感應透明效應207
11.4.1結構、材料與仿真方法208
11.4.2結果與討論209
11.5基于相變材料金屬超表面的太赫茲可調電磁感應透明效應214
11.5.1結構、材料與仿真方法214
11.5.2結果與討論215
11.6本章小結223
參考文獻224
第12章對稱光子晶體中的連續(xù)域束縛態(tài)研究228
12.1引言228
12.2光學連續(xù)域束縛態(tài)簡介229
12.3多極子展開法232
12.4對稱光子晶體中的連續(xù)域束縛態(tài)235
12.4.1幾何結構與調制方案235
12.4.2光譜與本征模式分析236
12.4.3品質因子分析240
12.4.4多極子展開分析242
12.4.5非對稱調制方案243
12.4.6損耗與基底的影響244
12.5本章小結247
參考文獻247
第四部分微納光子器件的智能算法設計
第13章可擴展的寬帶偏振分束器251
13.1偏振分束器251
13.2基于目標優(yōu)先優(yōu)化算法的偏振分束器設計253
13.2.1器件結構與優(yōu)化區(qū)域尺寸選取253
13.2.2器件的目標優(yōu)先優(yōu)化設計258
13.3梯度下降與水平集方法260
13.3.1梯度下降法的定義260
13.3.2梯度下降法的優(yōu)化流程260
13.3.3梯度下降法的優(yōu)化結果263
13.3.4水平集方法264
13.3.5水平集演化結果267
13.4本章小結267
參考文獻270
第14章聚焦波長分束器272
14.1基于逆向設計算法的多功能器件272
14.2聚焦波長分束器273
14.2.1建模274
14.2.2二值化276
14.2.3正則化279
14.2.4加工測試281
14.2.5測試結果285
14.2.6魯棒性分析287
14.2.7三通道聚焦波長分束器288
14.3本章小結289
參考文獻289
第五部分微納光子器件的應用
第15章偏振不敏感量子干涉儀293
15.1研究背景293
15.2偏振不敏感量子干涉儀的設計295
15.2.1MMI多模干涉耦合器的原理295
15.2.2MMI分束器參數(shù)的優(yōu)化295
15.2.3MZI的工作原理300
15.3本章總結302
參考文獻303
第16章偏振不敏感3×3量子干涉系統(tǒng)304
16.1研究背景304
16.2基本原理305
16.2.1 3×3量子干涉儀的基本原理305
16.2.2偏振不敏感3×3MMI耦合器的設計308
16.2.3偏振不敏感3×3MMI耦合器參數(shù)優(yōu)化310
16.3本章總結314
參考文獻315
第17章熱偽裝微結構設計及其應用316
17.1引言316
17.2熱偽裝的基本理論317
17.2.1熱成像基本原理317
17.2.2中紅外大氣透明窗口318
17.3基于反向設計的微結構應用于兼容熱管理的熱偽裝319
17.3.1熱偽裝超表面結構設計320
17.3.2熱偽裝超表面原理分析322
17.3.3熱偽裝超表面性能評價324
17.4激光操控熱偽裝微結構及多功能熱偽裝329
17.4.1熱偽裝微結構設計及制備329
17.4.2熱偽裝性能表征及熱源偽裝數(shù)值模擬334
參考文獻343
第18章紅外輻射調控及其應用346
18.1引言346
18.2基于反向設計的太陽光吸收體346
18.2.1反向設計超表面結構347
18.2.2單層納米柱及雙層納米柱數(shù)值模擬分析347
18.2.3反向設計超表面性能評估352
18.3基于反向設計的類光子晶體輻射器應用于輻射冷卻358
18.3.1類光子晶體輻射器反向設計358
18.3.2類光子晶體輻射器性能評估361
18.4基于石墨烯的可調器件設計及其應用368
18.4.1石墨烯超表面圖案化設計368
18.4.2石墨烯電導率可調理論369
18.4.3石墨烯超表面應用于多功能光器件調制370
參考文獻378
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