Author Affiliations
Abstract
Friedrich Schiller University Jena, Institute of Applied Physics, Albert-Einstein-Str. 15, 07745 Jena, Germany
Vanadium dioxide (VO2) has promising applications in smart windows and active micro-optical devices due to its thermochromic properties. However, the successful fabrication and patterning of VO2 thin films with the correct stoichiometry and phase are challenging. In this study, we investigated lithographically patterned and non-patterned VO2 thin films fabricated by reactive ion beam deposition, using variable angle spectroscopic ellipsometry, Raman spectroscopy, and transmission and reflection measurements. The results show that the refractive index and extinction coefficient exhibit significant changes for near-infrared wavelengths when heated above 68 °C, confirming its thermochromic properties. The Raman spectroscopy results indicate the formation of the monoclinic phase VO2(M) after annealing, which was not changed by reactive ion etching. Lithographically structured VO2-layers were successfully realized demonstrating the potential of VO2 as a material for active micro-optical devices, such as guided mode resonance filters with switchable reflectance. The results suggest that VO2 has great potential as a promising material for actively switched optical elements and micro-optical devices.
Vanadium dioxide Guided mode resonance Phase change material Lithography Switching VO2 Spectroscopy Reflectivity Reactive ion beam deposition Micro optics 
Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023019
作者单位
摘要
中国科学院电工研究所微纳加工技术和智能电气设备研究部,北京 100190
利用原子层沉积技术在具有二维结构的石英玻璃上制备出二氧化钛(TiO2)薄膜,并在不同的温度下进行退火处理。对样品的晶体结构、表面形貌、表面粗糙度以及光谱特性进行研究,结果表明:当热处理温度为200~400 ℃时,所制备的二氧化钛薄膜具有较好的锐钛矿结构,无其他杂相存在。随着热处理温度的增加,薄膜晶粒尺寸逐渐增大,薄膜折射率变大,但表面粗糙度均小于0.4 nm。研究了由单层二维结构光栅和光波导层(二氧化钛薄膜)组成的导模共振滤波器,采用严格耦合波理论分析了该装置在不同条件下的光谱特性。结果表明,通过改变光波导层二氧化钛薄膜的折射率,可以控制该装置共振波长的位置,并保持窄线宽特性。该装置的波长控制范围为946.9~967.9 nm,半峰全宽小于0.8 nm。
薄膜 二氧化钛 原子层沉积 导模共振 严格耦合波理论 共振波长 
光学学报
2023, 43(9): 0931003
作者单位
摘要
1 衢州职业技术学院 信息工程学院,浙江 衢州 324100
2 赣南师范大学 物理与电子信息学院,江西 赣州 341000
为降低窄带宽超材料吸收器(Metamaterial Absorber,MA)制造成本的同时拓宽其应用领域,本文基于时域有限差分法利用介质材料设计出双波长窄带宽介质MA,其由Au衬底、SiO2介质层和Si介质非对称光栅构成。经模拟计算发现,本文提出的双波长窄带宽介质MA在λ1=1.20852 μm和λ2=1.23821 μm具有超高吸收效率,而且FWHM也分别只有0.735 nm和0.077 nm。MA在λ1实现窄带宽吸收主要是因为光在SiO2层形成了法布里-珀罗(Fabry-Pérot, FP)腔共振,而MA在λ2实现窄带宽吸收主要是由于入射光在介质非对称光栅中形成了导模共振效应。经理论计算可知,通过改变MA的结构参数可对其吸收特性产生较为显著的影响。
超材料吸收器 双波长 窄带宽 法布里-珀罗腔共振 导模共振 metamaterial absorber dual-wavelength narrow-bandwidth Fabry-Pérot cavity resonance guided mode resonance 
中国光学
2021, 14(6): 1327
作者单位
摘要
华中科技大学 光学与电子信息学院 & 武汉光电国家研究中心,湖北 武汉 430074
与传统化学颜料滤光片相比,基于微纳光学结构的滤光片所呈现的颜色不仅纯度高、亮度大而且不易褪色,更重要的是不会对环境产生污染。超构表面结构色滤光片因在光学装饰、彩色显示、成像以及光伏等领域存在潜在的应用价值而受到广泛关注。随着微纳加工技术的进步,基于不同共振机理的超构表面结构色滤光片相继实现。本文首先介绍了基于超构表面产生结构色的三种典型共振机理,然后介绍超构表面结构色滤光片在全彩显示、全息成像、信息加密以及彩色光伏器件等领域的应用现状,最后对超构表面结构色滤光片的发展前景进行展望。
结构色滤光片 导膜共振 等离子体激元共振 米氏共振 structural color filter guided mode resonance plasmonic resonance mie resonance 
中国光学
2021, 14(4): 900
作者单位
摘要
天津大学太赫兹研究中心, 精密仪器与光电子工程学院, 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
太赫兹窄带滤波器是太赫兹波段无线通信、高分辨光谱分析和被动式安检成像等技术设备中不可或缺的功能器件,而介质光栅中的导模谐振(GMR)效应是实现高品质因数太赫兹窄带滤波器的重要方法。目前,常使用严格耦合波分析法(RCWA)描述光栅的辐射特性并结合粒子群算法(PSO)优化结构参数来设计导模谐振滤波器(GMRF)。然而,该方法的建模过程复杂并且不能设计广义的超材料光栅。本文提出一种新的自动化设计方法,使用电磁仿真软件CST和PSO相结合设计导模谐振滤波器,采用含有惩罚项的目标函数对滤波器参数进行优化。运用该设计方法分别设计了中心频率位于0.65 THz的一维矩形光栅带阻滤波器和中心频率位于0.6 THz的二维偏振无关的超材料导模谐振滤波器,并通过光刻和反应离子刻蚀加工所设计的高阻硅光栅,分别测量了光栅在TE偏振态下的正入射光谱和入射角为4°、8°的斜入射光谱,谐振的分布和变化规律与仿真结果一致,验证了设计方案的有效性。该研究为太赫兹波段导模谐振器件的研究提供了新的设计方法,并由此推动太赫兹无线通信、光谱分析和被动成像的发展。
太赫兹技术 导模谐振 粒子群算法 光栅 
中国激光
2021, 48(20): 2014001
宋志 1路畅 1魏国军 1,2许宜申 1,2[ ... ]陈林森 2
作者单位
摘要
1 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室、教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州215006
3 苏州大学苏州纳米科技协同创新中心, 江苏 苏州 215006
提出了一种反射型超表面滤光结构,该滤光结构由基底、低折射率纳米光栅、Ag光栅、SiNx高折射率介质层组成。理论模拟结果表明:45°入射角下,在垂直于光栅栅线的入射平面内,反射谱峰值出现在475 nm波长处;在平行于光栅栅线的入射平面内,反射谱峰值出现在550 nm波长处。其电场分布特性表明,在不同的平面内TE偏振入射光激发的导模共振区域不同,TM偏振下激发的导膜共振强度与表面等离子体共振强度不同,导致该结构在垂直于光栅栅线方向与平行于光栅栅线方向的两个平面内表现出两种截然不同的颜色。基于此制备的超表面结构样品不但光变色效果明显,且易于与纳米压印工艺相结合实现大幅面光变色结构制备,在防伪和图案信息编码等领域有广阔的应用前景。
光学器件 一维超表面 反射式滤光 光变色 表面等离子体共振 导模共振 
光学学报
2021, 41(20): 2023001
作者单位
摘要
1 河北工程大学信息与电气工程学院, 河北 邯郸 056038
2 河北工程大学数理科学与工程学院, 河北 邯郸 056038
导模共振光栅作为一种重要的滤波单元,在光通信中有着广泛的应用。然而,普通的导模共振光栅的传输光谱为洛伦兹型,该类结构在高性能光纤通信系统中的应用受到限制。采用级联导模共振光栅可以实现平顶滤波响应,但是整个器件的体积较大,制作工艺复杂。此外,单一复合光栅结构难以直接实现窄带平顶滤波响应。提出了一种级联双层复合光栅结构以解决这一问题,利用严格耦合波算法和本征模式分析法分析了其输出光谱。仿真结果表明该滤波器的中心波长为1549.9 nm,其平顶光谱的线宽为0.5 nm。
衍射 波长滤波器 导模共振 严格耦合波分析 平顶光谱 复合光栅 
光学学报
2021, 41(20): 2005001
作者单位
摘要
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海 200093
鉴于导模共振滤波器具有高峰值反射率、低旁带反射、窄带以及带宽可控等优良特性,采用亚波长光栅的导模共振效应设计了一种平顶滤波器。通过将亚波长光栅与类法布里−珀罗腔结合使用,实现了窄带宽平顶滤波的效果。基于严格耦合波分析方法和等效介质理论,使用FDTD软件对光栅衍射效率进行了仿真分析。仿真结果表明,平顶滤波器在1130 nm处可获得2 nm宽的平顶,同时半高全宽达到6 nm,透射效率达到98%。通过微机电系统可以线性调节类法布里−珀罗腔的厚度,该器件可调谐的波长范围为1 130~1 300 nm,可应用于光通信、光开关等领域。
亚波长光栅 导模共振 平顶滤波器 法布里−珀罗腔 sub-wavelength grating guided mode resonance flat-top filter Fabry-Perot cavity 
光学仪器
2021, 43(2): 61
作者单位
摘要
1 河北工程大学信息与电气工程学院,河北 邯郸 056038
2 河北工程大学数理科学与工程学院,河北 邯郸 056038
基于导模共振光栅的集成光学滤波器在光纤通信中具有潜在的应用前景,然而单个导模共振光栅的输出光谱一般呈现洛伦兹线型,这会阻碍该类结构在波分复用系统中的应用。传统方法一般采用多个谐振腔级联的方式实现平顶滤波响应,然而整个结构的体积较大,制作工艺较为复杂,因此提出一种基于级联双层导模共振光栅结构,其输出光谱响应为平顶陡边型。首先建立器件的物理模型,其物理机理是将导模共振效应与法布里-珀罗谐振效应结合,然后利用物理模型分析和设计滤波器结构。研究发现该滤波器的中心波长为1550 nm,其3 dB带宽可以增加至20 nm。
光栅 波长滤波器 导模共振 法布里-珀罗谐振腔 平顶光谱 
激光与光电子学进展
2021, 58(11): 1105001
作者单位
摘要
1 河北工程大学数理科学与工程学院, 河北 邯郸 056038
2 河北工程大学信息与电气工程学院, 河北 邯郸 056038
基于导模共振效应的光栅传感器因具有无需荧光标记、易于集成、能实时检测等优点在生物医学传感领域得到了广泛应用。然而,该类型传感器存在品质因子和灵敏度相互制约的问题。为此提出一种凹型光栅结构,也就是在周期性光栅的每一个单元中引入凹型微结构,增强光场与检测物质的相互作用,进而提升传感器的品质因数。利用严格耦合波算法设计了器件结构,分析器件的本征模式,阐明其物理机理。仿真结果表明,该器件的品质因数可达到6562.5。本研究工作将为研制基于微纳结构的高性能集成光学传感器提供研究基础。
集成光学 集成光学传感器 品质因数 导模共振光栅 严格耦合波分析 
中国激光
2021, 48(9): 0913001

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