超表面可被设计应用于波前的空间变换,二维周期性光学超表面结构的研究主要集中于调控光在自由空间中传播的波前。为了操控片上光信号传输的自由度,实现小尺寸、宽带以及低损耗的片上集成光子计算芯片,发展了一系列一维片上超表面的设计工作。对近几年来基于介质超表面的片上集成纳米光子器件的相关工作进行综述,从片上超表面的物理机制、片上超表面的实现方法以及片上超表面在集成纳米光子器件中的应用几方面出发进行了回顾和讨论。同时也对潜在的挑战进行了总结,对片上超表面在集成纳米光子器件中的进一步应用研究进行了展望。

超材料作为一种突破性的人工设计材料,在电磁波调控领域起到了革命性的作用。变换光学与超材料的结合不仅可以充分发挥超材料的奇妙特性,实现许多神奇的效应,还可以用作光学模拟,展现一些无法直接观测到的宇宙学现象。由于超材料自身结构的局限性,有些电磁参数仍无法通过微结构的调控来实现,这时曲面开始受到人们的关注。曲面结构的波导也可以对电磁波起到调控的作用,更可以突破超材料的一些限制,实现许多新奇的效应。通过介绍南京大学刘辉课题组在曲面结构波导上的一系列工作,展示了曲面波导在各个方向上的奇妙应用,并讨论了曲面波导的应用前景。

二维半导体具有独特的二维材料属性、新奇的谷电子能带结构和丰富的调控自由度,为凝聚态物理、光学等领域的研究带来了机遇。然而,这些研究依然存在许多根本问题,例如光的利用效率低、量子特性易受环境扰动等。将二维半导体和精密微纳光腔进行耦合不仅为这些问题的解决提供了合适的方案,还展现了前所未有的新颖光学效应,从而为二维半导体的基础物理研究和光电应用开拓了新的研究方向。对近10年来微纳光腔中二维半导体中的光与物质耦合的研究进展进行梳理,重点讨论了二维半导体的光学特性,以及二维半导体与微纳光腔的不同耦合区域的研究进展、调控机制及其在纳米激光光源、谷电子学、量子光学等方面的潜在应用,并对未来的发展方向和机遇进行展望。

人工智能的发展已经给人类社会的发展带来了极大变革,各种基于人工智能的新应用层出不穷。电磁和光学超材料对电磁波有强大的调控能力,且具有灵活的设计特性,尤其是可编程超材料的实时数字化调控能力,有利于基于人工智能技术的电磁超材料的设计和智能化应用。对超材料的智能化设计、智能化结构和智能化系统进行了阐述,对于人工智能技术与电磁和光学超材料的结合,总结介绍了结构优化、架构设计和系统应用的主要进展和成果,并展望了智能超材料的未来发展方向。

人工智能技术,特别是人工神经网络的创新引领了许多领域的应用革命,如网络搜索、计算机识别和语言、图像的识别技术。近年来纳米光子学的发展为传统的人工神经网络技术,特别是光学神经网络的发展带来了全新的物理视角以及截然不同的实现方法。一方面,纳米光子学是一门研究光与材料在纳米尺度相互作用的科学,可以带来全新的技术,如超分辨光学加工技术和超分辨光学成像技术,进而推动微纳尺度上多种功能的光学神经网络的实现。另一方面,纳米光子学中光子传播的多频段、高速度、低功耗的特点,促使了光学神经网络向着小体积、高密度、低功耗的方向发展。人工神经网络自身的发展也促使神经网络算法(如逆向设计、深度学习)在纳米光子学器件的设计中发挥前所未有的作用,以满足纳米光子学器件对自身功能、体积、集成度、计算功能的日益增长的要求。以神经网络的发展为起点,阐述人工神经网络特别是光学神经网络的发展趋势,以及人工神经网络与纳米光子学相互促进的发展历程。

作为一类具有代表性的光学共振模式,光学束缚态已被用于大幅增大古斯-汉欣位移。然而,在大多数的研究工作中,人们利用的是透射型的束缚态来增大古斯-汉欣位移。因此,古斯-汉欣位移的峰值位于透射谱的极大值(即反射谱的极小值)处,对应的反射率很低,这不利于实验测量与实际应用。本综述阐述了本课题组在近年来利用两种奇异的光学束缚态增大古斯-汉欣位移的研究情况。第一种光学束缚态为四部分光栅-波导复合结构中的连续谱准束缚态。古斯-汉欣位移的峰值位于反射谱的极大值处,反射率高达100%。第二种束缚态为光子晶体异质结中的界面态。界面态的反射率可由光子晶体的虚相位的失配程度进行灵活调节。古斯-汉欣位移的峰值虽位于反射谱的极小值处,但反射率仍可达到97.6%。这两种奇异的光学束缚态在大幅增大古斯-汉欣位移的同时,保持了较高的反射率,这克服了传统增大古斯-汉欣位移的方法的低反射缺点。由于这两种奇异的光学束缚态具有较高的反射率,古斯-汉欣位移将更容易在实验上被测量到,因此后续有望将其应用在各类高性能传感器、光开关、光存储器件、波分(解)复用器件和偏振分光器件的设计中。

光学腔借助其特殊的共振线型,成为激光、精密检测、光传感、光开关等技术中尤为重要的光波器件。对已报道的光学腔中几种不同共振线型(洛伦兹型尖峰、洛伦兹型凹谷、不对称Fano型等)进行评述,并分析形成机制。最后,以硅基微环腔为例,提出调控这些共振线型的方法和相关器件结构。

激光因相干性好、方向性好、单色性好等优点得到了广泛的应用,但是,激光的高相干性会带来严重的散斑现象,导致其在显示和成像领域的应用受到限制。通过对激光腔的几何形状和激光振荡反馈机制的创新,对激光的模式数量、模场的空间分布调控发展而来的低相干性激光器正日益受到重视。本综述详述了五种低相干性激光,包括随机激光、简并腔激光、混沌腔半导体激光、近共心腔半导体激光、哑铃形腔半导体激光的发展历史、产生机理及现存的问题,为低相干性激光器的发展方向和应用提供决策参考。

热载流子能量耗散是太阳能电池效率损耗的主要来源之一。近年来,钙钛矿中的热载流子效应获得了研究人员的广泛关注。相比于传统半导体材料,钙钛矿具有较慢的热载流子冷却过程,有望利用这些热载流子,提高太阳能电池的能量转换效率,克服单结太阳能电池的Shockley-Queisser极限。本文主要阐述了近几年人们利用超快光谱技术在钙钛矿中观测到的热载流子弛豫现象,总结了其热载流子的动力学特性;对钙钛矿中各种体系中热载流子冷却的机理进行了梳理,并讨论了钙钛矿中热载流子的传输特性和抽取方法;最后对钙钛矿中的热载流子弛豫过程的调控和其热载流子太阳能电池中的应用发展进行了展望。

近年来,各种微纳光学效应被用于实现结构色甚至更精细的光谱调控,但这类方法大部分都基于彩色滤波原理,其光学效率难以接近甚至超越传统的染料滤波技术。首先介绍高像素密度图像传感器的色彩技术需求,并分析现有商用染料滤波器和微纳光学结构色滤波技术的局限性,然后介绍一类新兴的微纳结构空间分光色彩管理技术,并系统性地分析和讨论其技术原理和发展现状,最后总结该技术面临的挑战和发展趋势。

基于局域表面等离激元或电介质微纳结构米氏散射的超构光栅对衍射通道的直接调制为高效率、大角度光场调控提供了优良平台。对超构光栅调控衍射光场的物理机理及应用开发进行了概述。首先,从高衍射效率超构光栅的构建机理出发,分别介绍了反射式、透射式、对称型、非对称型及可重构超构光栅的典型实现方式;其次,介绍了通过结合高衍射效率超构光栅与位移编码型相位调制机制,实现任意大角度光波前高效调控的典型方法,概述了高数值孔径透镜、角度可调型多功能光器件、大角度全息超构光栅等方面的研究进展;然后,介绍了以超构光栅作为连接自由空间光与表面波的桥梁,自由空间光波前与表面光波前相互转化方面的集成光调控平台;最后给出了简要小结,并对超构光栅未来的发展趋势与应用前景进行了展望。

铌酸锂光子集成是推动未来高速光通信和光信息处理领域变革性发展的重要前沿技术。介绍了利用铌酸锂光子芯片制造技术制备集成光路中关键光子结构与器件的最新研究进展。得益于单晶铌酸锂晶体的高非线性系数和强电光效应,利用制备的高性能铌酸锂光子器件演示了多种高效的非线性光学过程。

铌酸锂晶体是一种综合性质优异的多功能光学材料。在过去几十年里,对铌酸锂晶体的研究一直是光学研究的热点之一。近年来发展起来的绝缘体上铌酸锂(LNOI),亦称为铌酸锂薄膜(LNTF),在光学领域被公认为是一项变革性技术。基于LNOI的集成光子器件让铌酸锂晶体又焕发了新生命,再次成为集成光子学的研究焦点。作为最优秀的非线性晶体之一,铌酸锂薄膜在频率转换方面是其他薄膜材料无法替代的。总结了基于铌酸锂薄膜的非线性频率转换最新研究进展,包括二阶非线性、三阶非线性、级联非线性和光学频率梳等,最后对LNOI平台上光子集成回路(PIC)的前景进行了展望。

光频梳由一系列离散且等距分布的相干激光组成,可作为高精度光学频率标尺,对时间和频率进行精确测量。微腔产生的光频梳具有小尺寸、低功耗、可单片集成等优势,成为近年来的研究热点。孤子的出现极大提升了微腔光频梳的相干性,其产生过程包含着丰富的非线性物理动态,且在光钟、超快测量、相干通信等多个领域具有很好的应用前景。回顾了微腔光频梳的研究进展,全面综述了微腔光频梳的理论模型、产生方法、物理机理及表征、应用,并对其未来发展趋势进行了分析和展望。孤子微腔光频梳有望作为下一代集成光源,为各个领域带来革命性发展。

拓扑光子态是具有单向传输特性的新型波导态,展示出抗背向散射、障碍物及缺陷免疫等独特而神奇的物理性质。拓扑光子态因其独特性在拓扑激光器、量子信息、混合集成光路、非线性光学等领域具有广泛的潜在应用。磁光光子晶体为实现拓扑光子态、探索拓扑光子态新物性提供了重要平台。本文聚焦磁光光子晶体中拓扑光子态的研究进展,首先回顾有序、无序晶格中的拓扑光子态,揭示拓扑光子态的微观物理图像。接着讨论时间和空间反演对称性双破缺体系中的拓扑光子态,简述反手性拓扑光子态的产生。然后介绍宽带拓扑光子态及拓扑慢光态研究,展示新颖的拓扑光学现象及器件设计。最后针对磁光光子晶体中拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。

单光子和多光子量子态的制备与操控对量子信息技术的发展和应用至关重要。在实现量子器件小型化和集成化的基础上对量子态进行有效制备和操控是目前量子信息技术研究领域的前沿问题。作为一种平面光学人工微结构阵列,超表面能够在亚波长尺度上实现对光场振幅、相位和偏振态等多个维度的有效控制,为微纳光学器件的设计提供了一种全新方式。近期研究表明,高效率超表面是实现小型化和集成化量子器件的理想平台。总结了近年来可见光和近红外波段高效率超表面的设计原理及其应用方向,并在此基础上对超表面在提高单光子发射器性能方面和在多光子纠缠态制备与操控方面的重要工作进行了总结。

太赫兹(THz)技术在基础研究与产业应用中具有重要研究意义,但其广泛应用仍受限于高效、紧凑的THz源,特别是0.5~2.0 THz波段。目前,人们已经采用了多种技术产生THz辐射,基于光学的方法是其中最重要的手段。首先,针对THz脉冲波及连续波,基于光电导效应及非线性光学差频的THz辐射产生机理,总结了近年来微纳光学结构在提高泵浦光至THz转换效率上的应用。然后,分析了金属纳米光天线通过增强泵浦光局域电场提高THz辐射效率和将金属纳米光天线作为THz辐射源两种增强情况。最后,展望了其他类型的光学微纳结构,尤其是全介质光学天线支持的米氏谐振、无辐射模式以及连续域中束缚态等新颖物理现象在THz辐射产生中的增强作用。

柔性光电子器件对微纳制造技术提出了更高、更多维度的要求,包括大幅面、表面复杂结构、跨尺度、透明或柔性基底等。主要介绍基于相位元件调制的3D激光直写技术和紫外连续变频光刻技术,它们可分别实现复杂表面浮雕结构和像素化纳米结构的精确制备。此外微纳结构限定性生长或涂布方法提供了一种绿色环保的材料功能化手段。借助微纳结构图形化、功能化平台,最后介绍了新型柔性光电子材料/器件的应用创新。可以预见,微纳光制造技术将推动柔性光电子产业的持续创新发展。

氟化钙晶体微腔相比玻璃材料微腔,具有吸收系数小、缺陷少、纯度高、对周围环境湿度不敏感的优势,在微波光子学、陀螺仪和非线性光学等领域具有潜在的应用价值。通过超精密加工技术制备了回转椭球体氟化钙毫米晶体微腔。研发了一套精密加工系统来制备这种微腔,所制得的微腔形状为回转椭球体,微腔结构边缘表面粗糙度低至1.97 nm。使用光纤锥波导与氟化钙微腔实现了高效耦合,此耦合系统展现了高达~10 ⁸的超高品质因子Q值和低至约0.03 nm的自由光谱范围。这些结果证明了针对氟化钙微腔的加工手段具有重要意义,将大大促进其应用。氟化钙微腔的特性也证明了它在光学滤波器、腔量子动力学、非线性光学和陀螺仪等应用中的潜力。

受光栅制作工艺的影响,光栅参数的轻微偏移极易导致耦合系数偏离设计值从而影响分布式反馈(DFB)半导体激光器性能。通过微扰下的耦合模理论与数值仿真相结合的方式,对侧向非对称光栅的耦合系数特性进行了深入分析。当光栅宽度与脊型区宽度之比在一定范围内时,两个亚光栅之间非对称距离的引入使波导内的光场产生轻微偏移,光场的耦合状态发生改变。这有利于光栅的耦合系数稳定在一个合理的范围内,有效地缓解了占空比等参数对光栅耦合系数的影响,降低光栅工艺误差对DFB半导体激光器性能的影响;此时谐振腔内光子密度均匀分布,避免了常规光栅结构易引发的空间烧孔效应,有助于半导体激光器窄线宽激光的输出。本文工作将为侧向非同步耦合光栅的设计与应用提供理论参考。