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Abstract
Anhui Key Laboratory of Optoelectric Materials Science and Technology, School of Physics and Electronic Information, Anhui Normal University, Wuhu 241002, China
The temporal coupled-mode theory (TCMT) has made significant progress in recent years, and is widely applied in explaining a variety of optical phenomena. In this paper, the optical characteristics of the metasurface composed of nano-bars and nano-rings are simulated. The simulation results are well explained by TCMT under the coupled basis vector. However, when the structural asymmetry is large, the fitting of results shows that the total radiation loss is not conservative, in contradiction to the requirement of traditional TCMT. We solved this inconsistency by introducing the propagation phase into the near-field coupling term of TCMT. The studies show that, unlike the local mode near the exceptional point which corresponds to the radiation loss of the bright mode, the global mode near the diabolic point is closely related to the propagation phase. Furthermore, the structure near the diabolic point shows characteristic cross-coupling with the change of period. This study proposes a new theoretical framework for comprehending the interaction of light and matter and offers some guiding implications for the application of TCMT to a variety of related domains.
temporal coupled-mode theory exception point diabolic point propagation phase Chinese Optics Letters
2023, 21(1): 010003
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electro-Optical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Jilin 130022, China
2 Key Laboratory of the Ministry of Education for Optoelectronic Measurement Technology and Instrument, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China
3 Beijing Laboratory of Optical Fiber Sensing and System, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100016, China
To enhance the optical computation's utilization efficiency, we develop an optimization method for optical convolution kernel in the optoelectronic hybrid convolution neural network (OHCNN). To comply with the actual calculation process, the convolution kernel is expanded from single-channel to two-channel, containing positive and negative weights. The Fashion-MNIST dataset is used to test the network architecture's accuracy, and the accuracy is improved by 7.5% with the optimized optical convolution kernel. The energy efficiency ratio (EER) of two-channel network is 46.7% higher than that of the single-channel network, and it is 2.53 times of that of traditional electronic products.
光电子快报（英文版）
2022, 18(3): 181
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Solidification Processing, Key Laboratory of Radiation Detection Materials and Devices, School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China
2 Center for Excellence in Nanoscience (CAS), Key Laboratory of Nanosystem and Hierarchical Fabrication (CAS), National Center for Nanoscience and Technology, Beijing 100190, China
Journal of Semiconductors
2022, 43(7): 070202
1 华北理工大学药学院, 河北 唐山 063210
2 华北科技学院环境工程学院, 河北 廊坊 065201
3 唐山博亚树脂有限公司, 河北 唐山 063001
4 华北理工大学材料科学与工程学院, 河北 唐山 063210
5 华北理工大学分析测试中心, 河北 唐山 063210
6 华北理工大学电气工程学院, 河北 唐山 063210
表面增强拉曼光谱技术对分子具有特异性识别以及快速无损检测的能力, 使其在药物检测方面具有重大的潜力。 通过贵金属和氮化钛之间协同作用, 使复合基底具有较高的SERS性能, 提供了一种基于SERS技术的药物检测方法。 采用电化学沉积及自组装法, 制备出贵金属/氮化钛复合薄膜。 研究表明, 在复合薄膜中存在面心立方晶型TiN、 金属单质Au和Ag三种物相; 电子显微镜显示平均粒径分别为90和50 nm的金属Au和Ag颗粒均匀分布在TiN薄膜表面; 基底的紫外-可见吸收图谱中出现了贵金属金与银纳米颗粒及TiN薄膜三者的特征等离子体共振吸收峰。 以该复合薄膜为SERS基底, 对烟酸溶液进行拉曼检测。 结果显示, 贵金属/氮化钛复合薄膜对烟酸具有显著的SERS效应, 最低检测浓度为10-5 mol·L-1, 对1 033 cm-1处烟酸拉曼信号强度及浓度取对数, 发现两者间呈一定线性关系, 其R2为0.969, 得益于TiN, Au和Ag之间可发生表面等离子体共振引起电磁场增强, 以及电荷转移效应。 研究还发现, 烟酸通过COO-基团垂直吸附在贵金属/氮化钛基底表面; 在酸性环境下, 烟酸N原子质子化主要以阳离子N+H(Ⅰ)形式存在; 在碱性环境时, 主要以阴离子COO-(Ⅲ)形式存在。 绞股蓝总甙溶液中模拟烟酸非法添加, 该复合基底对其最低的拉曼检测浓度是10-5 mol·L-1, 为现场快速检测非法添加药物提供了新途径。
贵金属/氮化钛 银胶 烟酸 表面增强拉曼光谱 Novel metal/titanium nitride Silver colloid Nicotinic acid SERS 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2092
1 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 100192
2 北京卫星制造厂有限公司机械产品事业部，北京 100190
首先从理论上详细分析阵列波导光栅的串扰、插入损耗和带宽对解调系统的动态范围、波长分辨率及解调精度的影响。结果表明，带宽越大，解调系统的动态范围越大，但波长分辨率会有所下降；串扰越小，解调精度越高。然后从理论上研究影响阵列波导光栅输出光谱带宽的因素，如阵列波导光栅的衍射级数、阵列波导数及喇叭口宽度等。结果表明，当阵列波导数越小和锥形波导的开口宽度越大时，则阵列波导光栅的通带带宽越大。最后设计一款基于2%折射率差二氧化硅材料体系的阵列波导光栅，其具有带宽宽、损耗低和串扰低等特点，为基于阵列波导光栅的光纤光栅解调系统的研究提供理论指导，并指明器件及系统的优化方向。
光学器件 阵列波导光栅 光纤光栅解调系统 相对光强解调 光子集成 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0923002
1 河北工业大学化工学院，天津 200120
2 华北理工大学分析测试中心，唐山 063210
3 华北理工大学药学院，唐山 063210
4 华北理工大学材料科学与工程学院，唐山 063210
利用静电纺丝技术制备了聚乙烯醇(PVA)/银纳米粒子高活性SERS柔性基底。将硝酸银、聚乙烯醇按照一定比例混合配置纺丝溶液，纺丝成膜后采用紫外光照射还原法得到纳米纤维基底。采用扫描电子显微镜(SEM)，透射电子显微镜(TEM),傅立叶红外光谱(FT-IR)，拉曼光谱(Raman)，紫外可见光谱(UV-Vis)等技术，对合成的纳米纤维基底进行表征。研究表明，银纳米颗粒呈球形分布在复合纤维中，粒径小于10 nm。以罗丹明为探针分子，硝酸银含量16wt%，紫外光照射3 h制备的基底具备最优的SERS性能。同时将此基底应用于烟酸药品检测，拉曼检测极限可达10-5 mol?L-1。
静电纺丝 表面增强拉曼散射 银纳米粒子 聚乙烯醇/银 烟酸 electrospinning SERS Ag nanoparticle PVA/Ag nicotinic acid
1 华北理工大学药学院，唐山 063210
2 华北理工大学材料科学与工程学院，唐山 063210
3 河北省无机非金属材料重点实验室,唐山 063210
4 唐山市环境功能材料重点实验室,唐山 063210
以八水氧氯化锆(ZrOCl2?8H2O)为原料制备前驱体溶液，采用旋涂工艺制备ZrO2薄膜，并对其进行还原氮化。利用XRD、FE-SEM、UV-Vis-Nir和Raman测试薄膜结构、光学性能及SERS效应。结果表明，还原氮化后薄膜中出现了氮氧化合物，颗粒明显，薄膜厚度约为0.77 μm。薄膜的紫外可见近红外光谱在350~650 nm附近展现出较强的吸收。利用R6G作为探针分子研究了薄膜的SERS效应，结果表明，还原氮化后的氧化锆薄膜拉曼增强效应显著提升，拉曼增强因子为2.479×102。
氧化锆薄膜 还原氮化 表面增强拉曼散射 拉曼增强因子 ZrO2 film reduction and nitridation SERS Raman enhancement factor
1 华北理工大学 材料科学与工程学院, 河北 唐山 063210
2 河北省无机非金属材料重点实验室, 河北 唐山 063210
3 华北理工大学 分析测试中心, 河北 唐山 063210
4 华北理工大学 药学院, 河北 唐山 063210
以四氯化钛和五氯化钼为原料, 采用氨气还原氮化法制备出Mo2N/TiN复合薄膜。利用XRD、XPS、SEM、UV-Vis和Raman测试手段研究了薄膜组成、形貌、表面增强拉曼光谱性能。结果表明, 复合薄膜中TiN和Mo2N两种物相共存, 随着五氯化钼掺量增加, 复合薄膜中晶粒逐渐细化, 其吸收光谱位于400～600 nm的共振吸收峰峰强增加且逐渐宽化。利用罗丹明6G(R6G)作为探针分子探究Mo2N/TiN复合薄膜的表面增强拉曼性能, 研究发现, 当五氯化钼添加量为6%时, 复合薄膜的表面增强拉曼效应最佳, 检测极限为10-5 mol/L, 增强因子为0.31×103, 且放置6个月后其拉曼增强性能仅降低20.76%。同时复合薄膜具有一定的耐高温特性, 其经过500 ℃退火后仍具有表面增强拉曼特性, 具有重复利用的潜力。
氮化钼 氮化钛 复合薄膜 表面增强拉曼光谱 molybdenum nitride titanium nitride composite film surface enhanced Raman spectroscopy(SERS)
1 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室，北京 100016
2 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室，北京 100083
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
刻蚀衍射光栅作为波分复用/解复用器件，有望在光通信系统中得到广泛应用。在基于顶层硅厚度为220 nm的绝缘体上硅材料上设计并制作了一种新型刻蚀衍射光栅，该刻蚀衍射光栅引入六角晶格空气孔型光子晶体作为其反射镜。模拟结果显示，相较于传统的阶梯光栅反射镜的刻蚀衍射光栅，光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅在理论上可有效降低器件的制作工艺难度以及插入损耗，同时可以实现器件偏振的保持。随后仅利用一步电子束光刻工艺及一步电感耦合等离子体刻蚀工艺制作了该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅。测试结果表明：该光子晶体反射镜的刻蚀衍射光栅片上损耗为9.51~11.86 dB，串扰为5.87~8.72 dB，后续可通过优化工艺条件和优化输出波导布局，进一步提高器件的性能。
刻蚀衍射光栅 光子晶体 硅基光子学 波分复用/解复用 etching diffraction grating photonic crystal silicon photonics wavelength division multiplexing/de-multiplexing 红外与激光工程
2019, 48(9): 0916005
1 北京信息科技大学 光纤传感与系统北京实验室, 北京 100016
2 中国科学院半导体研究所 集成光电子学国家重点实验室, 北京 100083
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
波分复用/解复用器与可调光衰减器的是光通信系统中的重要元器件。为了得到制备工艺简单、响应速度快的二者的单片集成芯片, 并且考虑到其与其他不同光器件的集成可能性, 在绝缘体上硅材料制作了16通道、信道间隔200 GHz的阵列波导光栅复用/解复用器与电吸收型可调光衰减器的单片集成。该器件的片上损耗小于7 dB, 串扰小于-22 dB。电吸收型VOA在20 dB的衰减量下的功耗为572 mW(106 mA, 5.4 V)。此外, 该器件可以实现光功率的快速衰减, 在0~5 V的外加方波电压下, VOA上升及下降时间分别为50.5 ns和48 ns。
阵列波导光栅 可调光衰减器 硅基光子学 绝缘体上硅 arrayed waveguide grating variable optical attenuator silicon photonics silicon on insulator 红外与激光工程
2019, 48(8): 0818004
