1 上海理工大学光电信息科学与计算机工程学院,上海 200093
2 上海市现代光学系统重点实验室,上海 200093
基于金属-石墨烯耦合的开口谐振环超材料,在0.8~1.2 THz范围成功实现等离诱导透明效应(PIT)。通过调节石墨烯的费米能级可以在0.929 THz和1.037 THz处实现振幅调制,最大调制深度分别为96.05%和65.40%。通过提出等效电容耦合结构来量化偏置电压与石墨烯费米能级的关系,该结构在慢光应用的研究结果表明,当偏置电压,石墨烯宽度为2 μm时,群延时、群折射率、延时带宽积和Q值分别可达93.12 ps,756.67,9.31,10.19。该研究结果对可调谐慢光器件的应用具有潜在的推动作用。
等离诱导透明 石墨烯 可调谐 慢光效应 太赫兹 光学学报
2023, 43(16): 1623025
基于单层图案化石墨烯超材料在太赫兹波段实现了等离子诱导透明效应,利用耦合模式理论(CMT)分析了等离子诱导透明产生的机理,得到的理论结果与时域有限差分方法计算的结果高度一致。通过调节石墨烯费米能级对等离子诱导透明特性进行了动态调控,并实现了多模同步异步开关的设计,在2.16、3.01、3.84 THz三个频率处的振幅调制度分别为95.77%、83.42%、95.58%,消光比最高可达13.73 dB。对慢光效应的研究结果表明群折射率可达180。本研究为设计光电子器件提供方案和指导。
材料 表面等离子体 石墨烯 等离子诱导透明 电光开关
Author Affiliations
Abstract
1 College of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 National Innovation Institute of Defense Technology, Beijing 100010, China
An active ultrafast formation and modulation of dual-band plasmon-induced transparency (PIT) effect is theoretically and experimentally studied in a novel metaphotonic device operating in the terahertz regime, for the first time, to the best of our knowledge. Specifically, we designed and fabricated a triatomic metamaterial hybridized with silicon islands following a newly proposed modulating mechanism. In this mechanism, a localized surface plasmon resonance is induced by the broken symmetry of a structure, acting as the quasi-dark mode. Excited by exterior laser pumps, the photo-induced carriers in silicon promote the quasi-dark mode, which shields the near-field coupling between the dark mode and bright mode supported by the triatomic metamaterial, leading to the dynamical modulation of terahertz waves from individual-band into dual-band PIT effects, with a decay constant of 493 ps. Moreover, a remarkable slow light effect occurs in the modulating process, accompanied by the dual-transparent windows. The dynamical switching technique of the dual-band PIT effect introduced in this work highlights the potential usefulness of this metaphotonic device in optical information processing and communication, including multi-frequency filtering, tunable sensors, and optical storage.
all-optical switching terahertz metamaterials dual-band plasmon-induced transparency ultrafast modulation Chinese Optics Letters
2022, 20(1): 013701
天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹研究中心, 天津 300072
电磁波传播过程中的等离子诱导透明效应以其强烈的色散特性在慢光器件、光动态存储器件、高灵敏度传感器等方面有着广泛的应用前景,而亚波长周期超表面成为了实现此效应常用的手段之一。如何有效调控由亚波长周期超表面与外场相互作用而产生的等离子诱导透明效应则成为了研究的热点。采用太赫兹时域光谱技术对放置在平行平板波导中的等离子诱导透明超表面进行了系统研究。在外部横电模式的激励下,通过改变超表面的结构参数,在理论和实验上实现了基于平行平板波导-超表面系统的等离子诱导透明效应的有效调控。另外,还通过表面电流和电场绝对值分布的模拟对等离子诱导透明效应调控背后的机制进行了探究。所得结果可以为基于等离子诱导透明效应的可调控电磁器件的设计提供一种新的思路。
光谱学 太赫兹技术 平行平板波导 亚波长周期超表面 等离子诱导透明效应 中国激光
2021, 48(19): 1914005
Author Affiliations
Abstract
1 College of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 National Innovation Institute of Defense Technology, Beijing 100010, China
3 Graduate School, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
Recently reported plasmon-induced transparency (PIT) in metamaterials endows the optical structures in classical systems with quantum optical effects. In particular, the nonreconfigurable nature in metamaterials makes multifunctional applications of PIT effects in terahertz communications and optical networks remain a great challenge. Here, we present an ultrafast process-selectable modulation of the PIT effect. By incorporating silicon islands into diatomic metamaterials, the PIT effect is modulated reversely, depending on the vertical and horizontal configurations, with giant modulation depths as high as 129% and 109%. Accompanied by the enormous switching of the transparent window, remarkable slow light effect occurs.
terahertz metamaterials ultrafast photoswitching plasmon-induced transparency all-optical modulation Chinese Optics Letters
2021, 19(1): 013602
1 安庆师范大学 数理学院, 安徽 安庆 246133
2 河南理工大学 物理与电子信息学院, 河南 焦作 454003
3 电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 成都 610054
基于金属/介质/金属(MIM)波导,提出了一种两侧含有双环、四环谐振腔的等离激元波导滤波结构,采用电磁仿真计算了其电磁传输特性,通过场分布分析了透射谱中通带和谷值产生的物理机理。仿真结果表明该结构可实现等离激元诱导透明(PIT),通过改变谐振腔的有效半径,可调节PIT窗口的位置、带宽和慢光效应。计算结果显示在双环和四环谐振结构的PIT窗口,可以实现0.148和0.358ps的信号延迟。这一特性在可调滤波器件、光存储器件和集成光子器件设计上具有潜在应用价值。
金属/电介质/金属波导 等离激元诱导透明 谐振腔 MIM waveguides plasmon induced transparency resonator
1 山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006
2 山西大学 现代教育技术学院, 山西 太原 030006
3 山西大学 物理电子工程学院, 山西 太原 030006:
本文提出了两种新型的基于石墨烯的表面等离子体光波导(GSPW),结构由单层石墨烯直波导与侧耦合的石墨烯环形谐振腔和条形谐振腔构成,利用有限元法(finite element method, FEM)对GSPW中呈现出的等离子体诱导透明(plasmon induced transparency, PIT)现象及其慢光效应进行了研究,结果表明,传输谱中出现的PIT透明窗口峰值传输率可达到80%以上,而其两侧的传输谷值接近于0,并且PIT峰值附近的最大群折射率在112左右,具有很好的滤波特性与慢光特性。透明窗口在不改变几何结构的情况下还可通过石墨烯化学势的改变而动态调制,因此,该结构在今后基于石墨烯的高密度集成表面等离子体光波导器件的设计中具有重要的借鉴作用。
石墨烯 等离子体诱导透明 有限元法 传输特性 Graphene Plasmon induced transparency Finite element method Transmission characteristics
1 华中科技大学 光学与电子信息学院, 武汉 430074
2 华中科技大学 武汉国家光电实验室, 武汉 430074
3 湖北第二师范学院 物理与机电工程学院, 武汉 430205
为了获得一个较宽的等离子诱导透明(PIT)窗口, 提出了一种双层可调谐的太赫兹超材料结构。采用仿真方法对该结构的透过率谱、电场图和电流图进行了分析, 并通过数学模型分析了透射窗口形成机理。结果表明, 该结构可以使亮模式谐振器的移动空间更大, 而且可以得到一个较宽的透射窗口; 该结构能通过平移I形金属棒的位置进而控制PIT窗口的宽度。仿真结果与理论结果拟合得很好。
光学器件 太赫兹超材料 仿真与数值模型分析 等离子诱导透明 optical devices terahertz metamaterials simulation and numerical analysis plasmon induced transparency