纳米阵列的慢光特性和光增强机理研究

纳米尺度下的慢光特性和光增强机理问题是当前纳米光学领域中研究的热点和前沿。本项目拟围绕纳米阵列中的慢光特性和光增强机理问题，从时域和频域两个角度对不同维度的纳米阵列的光传播模式进行理论分析，并辅以实验研究，探讨慢光的色散与带宽问题，揭示慢光特性和光增强的物理机理。1) 以一维纳米阵列的解析分析和数值求解为基础，把频域和时域分析相结合，适当开展实验验证，建立完备的光波在任意维度纳米阵列中的模式、传输特性和色散关系的理论分析手段；2) 研究纳米阵列的能带色散曲线，解决慢光中的色散与带宽问题，获取阵列结构与慢光因子之间的内在规律；3) 研究纳米阵列慢光因子与光有效模场面积之间的联系，揭示慢光因子与光增强的内在作用机理。这些研究将增强人们对纳米阵列中慢光现象的理解，对纳米光学进一步发展具有重大的理论意义，并为大幅度缩小光电子器件的尺寸、减小功耗，实现功能丰富的高性能光电集成系统提供理论基础。

本项目围绕纳米阵列结构中的慢光和光增强问题，初步建立了研究纳米阵列光传输特性的频域和时域综合仿真平台；理论探讨了光在不同类型的纳米阵列结构中传输时表现出的色散、带宽、偏振、慢光和光场强度分布等特性，实验研究了不同制备工艺条件下，ZnO纳米薄膜的微观结构、透过率和光子带隙等性质；并利用纳米阵列中产生的慢光谐振等光学增强机理，研究设计了基于一维纳米阵列结构的新型慢光波导、紧凑的偏振分束器、高效率AlInGaN深紫外发光二极管和高吸收率表面光栅太阳能电池，研究设计了基于二维纳米阵列结构的光子带隙、新型色散平坦光子晶体光纤、低色散大模场面积光子晶体光纤和慢光光子带隙光纤等。通过项目的开展，发现了一些有意义的结果。首先，证实了纳米阵列结构中的慢光现象能够有效地减小器件尺寸、增强光耦合、光出射和光吸收。其次，发现在由折射率比低至2.24:1的材料体系组成的微结构光纤中，理论上也能实现慢光传输。这些研究结果增强了人们对纳米阵列中的光传输现象的理解和认识程度，并为大幅度缩小光电子器件和光纤器件的尺寸、减小功耗，实现功能丰富的高性能光纤系统和光电集成系统提供了新的思路和理论基础。