光子晶體是一種由不同介質(zhì)材料呈周期性排列的人工微結(jié)構(gòu)。在光子晶體中人為的引入缺陷或者破壞光子晶體的周期性,從而形成光子晶體諧振腔。光子晶體納米梁（Photonic Crystal Nanobeam,PCN）腔就是一種典型的光子晶體諧振腔,因其有著緊湊的結(jié)構(gòu)、極高的品質(zhì)因子以及制備相對簡單的優(yōu)勢,從而在很多方面都有廣泛的應(yīng)用。本文對基于PCN腔的電磁誘導(dǎo)透明（Electromagnetically Induced Transparency,EIT）效應(yīng)與電磁誘導(dǎo)吸收（Electromagnetically Induced Absorption,EIA）效應(yīng)進(jìn)行了研究,并借助石墨烯的費米能級可調(diào)來控制PCN腔的損耗來實現(xiàn)對EIT效應(yīng)和EIA效應(yīng)的控制。同時,利用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,探索基于PCN的EIT效應(yīng)和EIA效應(yīng)的物理機制及其潛在應(yīng)用。本文緊緊圍繞基于光子晶體納米梁腔的電磁誘導(dǎo)透明和吸收效應(yīng)這一主題,從光學(xué)干涉的方面闡述了兩項具體研究工作:（1）設(shè)計并提出了一種由硅波導(dǎo)和兩個PCN腔組成的PCN腔-波導(dǎo)耦合系統(tǒng)及其理論模型,并通過時域有限差分法（Finite Differ... 

【文章來源】：湘潭大學(xué)湖南省

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【學(xué)位級別】：碩士

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不同維度的光子晶體

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文3光子晶體的光子帶隙能夠很好地把受限制通過的光反射回去，從而禁止光的通過。根據(jù)布洛赫原理，知道一維光子晶體只會在特定方向上存在光子帶隙。PCN腔是一種對稱結(jié)構(gòu)器件，主要是由缺陷區(qū)、漸變區(qū)和反射鏡區(qū)三部分組成。如圖1-2所示漸變型PCN腔為例。在一維光子晶體的結(jié)構(gòu)中使得部分左右對稱的氣孔呈漸變趨勢變化，且在中間引入缺陷，從而形成中心漸變型的PCN腔。相比傳統(tǒng)光子器件，PCN腔具有超小的結(jié)構(gòu)、超高的品質(zhì)因子，可實現(xiàn)高密度集成，在很多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用價值。圖1-2漸變型光子晶體納米梁腔[35]1.3石墨烯簡介石墨烯[36-39]，一種新型二維材料，因其優(yōu)異的光、電學(xué)性能以及極大的應(yīng)用前景，受到廣大科學(xué)家的關(guān)注。本文使用石墨烯的表面電導(dǎo)率材料模型來進(jìn)行數(shù)值計算。根據(jù)Kubo公式[40]可知，石墨烯的表面電導(dǎo)率（σg）模型由帶內(nèi)和帶間項組成，公式如下：22222200()()(2)()()()(2)(2)4(/)ddddgjeffjejffddjj(1.1)其中j=-1,1()exp(()/())1dFBfEkT是費米狄拉克分布，kB是玻爾茲曼常數(shù)，EF是石墨烯的費米能級，e是電子電荷，ω是角頻率，是簡化的普朗克常數(shù)，Γ=0.514meV是散射率，T=300K是溫度。石墨烯具有可調(diào)的表面電導(dǎo)率，常被作為可變折射率涂層摻雜在系統(tǒng)中。在不同費米能級下，（單層）石墨烯的介電常數(shù)的實部與虛部如圖1-3(a)所示中，可以看到，通過改變石墨烯的費米能級，能夠?qū)崿F(xiàn)對石墨烯電導(dǎo)率的調(diào)控。圖1-3(b)是一個頂部覆蓋石墨烯的硅波導(dǎo)的有效折射率的實部和虛部依賴費米能級變化的函數(shù)，可

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文4以看到，通過改變石墨烯的費米能級，實現(xiàn)了對硅波導(dǎo)有效折射率的調(diào)控。圖1-3(a)石墨烯介電常數(shù)的實部、虛部的大小依賴費米能級的函數(shù)；(b)頂部為石墨烯的500×220nm2單模硅波導(dǎo)的有效折射率的實部和虛部與費米能級的函數(shù)。1.4類電磁誘導(dǎo)透明與吸收電磁誘導(dǎo)透明（ElectromagneticallyInducedTransparency,EIT）[41-44]是原子領(lǐng)域里的一種量子干涉效應(yīng)。由基態(tài)到激發(fā)態(tài)與激發(fā)態(tài)到亞穩(wěn)態(tài)之間的干涉效應(yīng)，造成在寬吸收光譜內(nèi)產(chǎn)生一個狹窄的透明窗口。EIT在光子學(xué)中是一種相干的光學(xué)非線性，使介質(zhì)在吸收線周圍的狹窄光譜范圍內(nèi)透明。用經(jīng)典的三能級共振系統(tǒng)[45]來解釋，如圖1-4(a)所示，在泵浦光的作用下，系統(tǒng)的基態(tài)|0>到激發(fā)態(tài)|1>的偶極躍遷與和亞穩(wěn)態(tài)|2>之間的耦合形成干涉，即|0>→|1>和|0>→|1>→|2>→|1>互相干涉。其特征如圖1-4(b)所示，在原來的偶極躍遷所形成的寬吸收譜線內(nèi)產(chǎn)生透明窗口，即在吸收譜線內(nèi)實現(xiàn)對光的透過，降低對光的吸收。而透明窗口附近，發(fā)生巨大的色散現(xiàn)象，造成透明窗口附近的群折射率變大，造成慢光[46]效果。如果想要實現(xiàn)電磁誘導(dǎo)透明，在量子領(lǐng)域需要具備三個條件：極低的實驗溫度，高強度的光源以及巨大的實驗設(shè)備。這讓電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的發(fā)展受到很大的限制。但是隨著光子學(xué)的發(fā)展，人們把電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)應(yīng)用到了光子學(xué)，不再需要那么苛刻的條件，在普通光以及常溫下就能實驗，并且還能做到高度集成。在透明窗口內(nèi)，色散特性發(fā)生了巨大的變化，使得EIT效應(yīng)在慢光器件、非線性光學(xué)、光存儲、光開關(guān)等方面具有很好的應(yīng)用前景。類EIT效應(yīng)作為一種相似的相干效應(yīng)，近年來引起了廣泛的關(guān)注，并在表面等離激元、光力學(xué)系統(tǒng)、耦合光學(xué)諧振器、超材料構(gòu)型等經(jīng)典系統(tǒng)中得到了證明。特別是在各種類?


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