Doubly resonant photonic crystal cavities for efficient second-harmonic generation in III-V semiconductors
二阶非线性效应,如二次谐波产生,可以强烈增强纳米制造的光子材料时,基频和谐波频率的空间和时间限制。在传统的半导体化合物中实际设计小体积和双谐振纳米谐振器是具有挑战性的,由于其固有的折射率色散。在这项工作中,我们回顾了最近开发的策略,设计双谐振纳米腔低模式体积和大的品质因数的局部缺陷的光子晶体结构。我们建立在这种方法的基础上,通过应用进化优化算法与麦克斯韦方程组求解器,表明所提出的设计配方可以应用于任何材料平台。我们明确地计算了二次谐波产生效率的双谐振光子晶体腔设计在典型的III-V族半导体材料,如GAN和AlGaAs,在电信波长的基波为目标,并充分考虑了各自的非线性极化率的张量性质。这些结果可能会刺激在领先的半导体材料平台中实现小尺寸光子纳米结构,以实现前所未有的非线性效率。
2021-05-01 cond-mat.mes-hall physics.optics
Bullseye dielectric cavities for photon collection from a surface-mounted quantum-light-emitter
本文设计了表面安装量子光发射器用的靶心介质腔,通过周期性布拉格结构和非周期性切趾环分别实现了80%以上的光子收集效率及22.5的珀塞尔因子,并优于传统布拉格腔。
2022-09-07 physics.optics
Spin dissymmetry in optical cavities
Stanford University(斯坦福大学);Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory(约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室);University of Minnesota(明尼苏达大学)
研究提出自旋不对称性因子,用于量化量子粒子光学跃迁率的自旋选择性,设计并演示了具有三重旋转对称性的超材料光学腔体,以最大化自旋不对称性,从而增强腔体耦合发射器的自旋选择性辐射耦合。
2026-03-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Differential molecule-cavity mode coupling in soft-cavities
分子吸收、传输和发射光的方式可以通过将它们耦合到光学腔来显著改变。改性的程度通常由腔-分子耦合强度来定义。评估这种耦合强度的不同类型的模式支持的腔是至关重要的,在设计腔的分子腔耦合。在这里,我们探测一个独特的多模腔,介质微球,也称为软腔,它支持两种不同类型的模式,暗场散射(DFS)模式和回音壁模式(WGM)。虽然看似相似,这些模式表现出不同的特性,如空间电场分布,共振线宽等。我们研究了耦合的单层J-聚集染料分子和介电塑料微球使用两种技术,远场激发和倏逝波激发产生DFS模式和WGM分别。我们发现,使用WGM,我们观察到一个明确的签名强耦合,而DFS模式,我们没有。我们将我们的实验数据与一个简单的耦合振荡器模型进行了比较,并进行了基于有限元方法的数值模拟,以更清楚地了解我们的实验结果。
2020-09-18 cond-mat.mes-hall physics.optics
Circle-shaped Transformation Cavity via Center-Shift Möbius Transfomation
中心偏移的圆形变换腔是最简单的变换腔,因为它们只有空间折射率变化而没有边界形状变形。对于这些腔,我们分析了共形回音壁模式的特点,根据中心移动坐标变换。在这项研究中,我们使用一种替代方案来设计一个转换腔,而不使用一个收缩参数,需要满足全内反射条件。结果表明,随着中心位移的增加,均匀折射率圆腔中回音壁模的各向同性发射转变为共形回音壁模的双向发射。此外,使用一个纯度因子,定量测量在RV空间中的转换腔中的谐振模式的内部波图案的完整程度相比,相应的回音壁模式在均匀盘腔中,我们表明,共形回音壁模式在圆形的转换腔不仅具有方向性,而且还具有很高的持续性的回音壁模式的特性。
2020-10-08 physics.optics
Optically defined cavities in driven-dissipative photonic lattices
光子结构中局域模的工程化是现代光子学的主要目标之一。利用周期性光子晶格中相长干涉和相消干涉的相互作用是设计这些模式的有效策略。这种机制是光子带隙中的缺陷模、连续谱中的束缚态和平带中的紧凑局域态的起源。在这里,我们表明,在损耗谐振器的晶格中,增加具有受控相位的外部光学驱动器扩大了操纵干涉效应的可能性,并允许设计新型的局部模式。使用蜂窝晶格的耦合微柱共振驱动的几个激光光斑在其光子带内的能量,我们证明了本地化的光在将几何形状下降到一个单一的网站。这些局域模式可以被看作是完全可重构的光学腔,具有增强非线性效应和控制光-物质相互作用的潜力。
2021-12-14 cond-mat.mes-hall physics.optics
Implementation of Optimal Thermal Radiation Pumps using Adiabatically Modulated Photonic Cavities
我们数值实现的概念,热辐射泵在现实的光子电路,并证明他们的效率,以控制辐射电流,发出两个水库之间具有相同的温度。所提出的泵浦方案涉及控制光子电路的光谱特性的两个参数的循环绝热调制。我们表明,所得到的泵浦周期表现出最大的辐射电流时,系统的周期性调制被适当地设计为在光子电路的参数空间中的谐振简并附近。一个发达的Floquet散射框架,在绝热极限归结为瞬时散射矩阵的分析,提供了一个工程工具,设计和预测这样的热泵的性能。我们的预测证实了时域模拟调用一个螺旋驱动的光子腔。
2021-08-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Classical Approaches to Chiral Polaritonics
本文提出基于经典电磁学的理论框架,统一传递矩阵、散射矩阵和格林函数方法,用于描述含手性材料的法布里-珀罗腔的光学性质,并分析手性腔极化激元的形成,为手性传感和立体化学探测提供设计依据。
2024-03-14 cond-mat.mes-hall physics.optics
Dispersion engineering of infrared epsilon-near-zero modes by strong coupling to optical cavities
Indian Institute of Science Education and Research, Mohali(印度科学教育研究所)
本文通过强耦合光学腔体实现对ENZ模式色散的精确控制,利用可调偏振器和相变材料实现动态色散调控,推动了ENZ相互作用的研究和应用。
2023-03-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Tailoring soft cavities for robust molecular strong coupling
Indian Institute of Science Education and Research Bhopal(印度科学教育研究所博帕尔分校)
通过实验和理论分析,发现当腔线宽与分子线宽匹配时,软腔中分子强耦合的鲁棒性最优,为设计形态依赖的腔提供了新框架。
2026-06-11 physics.app-ph physics.chem-ph physics.optics
Efficient resonance management in ultrahigh-Q one-dimensional photonic crystal nanocavities fabricated on 300 mm SOI CMOS platform
光子晶体(PhC)纳米腔在光限制和操纵方面表现出独特的能力。因此,它们对于设计新颖的基于谐振的光子集成电路(PIC)变得有吸引力。然而,这里出现了两个基本挑战-如何使用与大体积制造兼容的标准制造工艺实现超高Q PhC腔,以及如何将它们与现有PIC平台中可用的其他标准构建模块有效地集成。在这项工作中,我们展示了超高Q的一维光子晶体纳米腔制作在300毫米的SOI晶片上的光学光刻,与记录的Q值高达0.84万。此外,我们在这些氧化物嵌入腔耦合接入波导,实现了两个关键部件:陷波滤波器和窄带反射器的有效模式管理。特别地,它们允许在期望的谐振波长下的单波长和多波长操作,同时抑制宽波长范围(>100 nm)上的所有其他波长。与传统腔相比,这为在PIC设计中精确实现谐振提供了一种奇妙的策略,在波长选择性和模数控制方面具有更大的自由度。考虑到它们与光学光刻和紧凑的足迹的兼容性,实现的1D PhC纳米腔将对大规模设计紧凑和新颖的基于共振的光子器件具有深远的意义。
2020-09-02 physics.optics
Theory of reflectionless scattering modes
我们发展了一种特殊类型的散射态的理论,在这种散射态中,一组渐近通道被选择为输入,互补集作为输出,并且输入通道的反射为零。一般来说,在离散复频率处存在无限多个这样的解。我们的结果适用于线性电磁波和声波散射,也量子散射,在所有的维度,任意几何形状,包括散射体在自由空间中,并为任何选择的输入/输出集。我们将这种状态称为反射零(R-零),当它发生在实频率轴之外时,将其称为无反射散射模式(RSM),当它被调谐到实频率作为稳态解决方案时。这种无反射行为需要特定的单色输入波前,由具有本征值零的滤波散射矩阵的本征向量给出。稳态RSM可以通过不破坏通量守恒的指数调谐或通过增益-损耗调谐来实现。通量守恒腔的响应面是双向的,而非通量守恒腔的响应面一般是单向的。具有${\cal PT}$对称性的腔在复共轭对中具有单向R-零点,这意味着对于小的增益-损耗参数,无反射状态自然地在实频率处出现,但是在自发的${\cal PT}$破缺跃迁之后移动到复频率平面中。数值例子的RSM给出了一维腔的增益/损耗,一个${\cal PT}$腔,一个二维多波导结,和一个二维变形的介质腔在自由空间。我们概述并实现了一个通用的技术来解决这些问题,这表明有希望设计光子结构是完美的阻抗匹配的特定输入,或可以完美地转换输入从一组模式的互补集。
2019-09-09 physics.optics
Tunable Surface Phonon Polariton based THz Cavity
设计和实现红外和太赫兹频率的可切换腔是实现新型集成光子电路的关键。像SiC这样的半导体支持表面声子极化激元的传播,具有通过掺杂调节载流子浓度的能力。本文研究了金属-半导体异质结椭圆腔中耦合表面-声子-等离子体激元波的可调谐性。我们从理论上研究了额外的n-和p-载流子掺杂对腔的谐振模式的影响,我们表明,对于某些腔模式的Purcell因子为180和开/关开关行为可以通过电荷注入实现。腔模调谐范围跨越约13倍的谐振宽度。
2021-07-11 physics.optics
Observed enhanced emission at higher-order exceptional points in RF circuits
Wesleyan University(韦斯利安大学);Institute for Modeling and Innovative Technology (CONICET - UNNE)(建模与创新技术研究所(阿根廷国家科学研究委员会-内乌肯国立大学))
本研究通过设计具有更高阶非厄密异常点退化的射频谐振腔,实现了非传统发射增强,展示了无需超高$Q$因子或小模体积的新型谐振腔设计方法。
2025-12-06 physics.app-ph physics.optics
Directing Monolayer Tungsten Disulfide Photoluminescence using a Bent Plasmonic Nanowire on a Mirror Cavity
在不影响场增强的情况下设计定向光学天线需要专门设计的光学腔。在这里,我们报告的实验观察定向光致发光发射从单层的二硫化钨使用的反射镜腔上的等离子体纳米线。几何形状提供了场增强和方向性的光致发光通过将单层之间的延伸腔滴铸弯曲的银纳米线和金镜形成。我们使用傅立叶平面成像技术成像的光致发光发射波矢量。该腔在一个狭窄的波矢范围内耦合出辐射,径向和方位角扩展分别仅为11.0°和25.1°。此外,我们进行了三维有限差分时域数值计算,以证实和理解的实验结果。我们设想,这里提出的结果将很容易利用片上耦合应用和设计非弹性光学天线。
2022-03-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Double Etch Method for the Fabrication of Nanophotonic Devices from Van der Waals Materials
本文提出一种用于范德华材料纳米光子器件制备的双重刻蚀方法,克服了传统掩蔽技术的局限,成功制备了波导、环形谐振器及光子晶体腔,并验证了其光学性能,为vdW材料片上集成提供了新途径。
2024-07-18 physics.app-ph physics.optics
Three-dimensional confinement of light in photonic crystals without bandgaps
Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院);Research Laboratory of Electronics, Massachusetts Institute of Technology(麻省理工学院电子学研究实验室)
研究在无完整光子带隙的光子晶体中实现光的三维限制,利用对称保护二次简并及引入点缺陷,结合态密度消失与对称失配产生束缚缺陷模式,为三维光子晶体光学腔设计提供新途径。
2026-07-28 physics.optics
Doubly-resonant $χ^{(2)}$ nonlinear photonic crystal cavity based on a bound state in the continuum
光子纳米结构同时最大化基频和二次谐波受限模式之间的光谱和空间重叠对于增强非线性介质中的二阶非线性效应是非常期望的。由于在二次谐波频率下设计带隙的困难,这些条件迄今为止在光子晶体腔中仍然具有挑战性。在这里,我们解决了这个问题,而不是使用在该频率的连续的束缚态,我们设计了一个双谐振光子晶体平板腔与以前的光子晶体设计相比,大大提高了非线性频率转换的品质因数。此外,我们表明,在这两个频率的远场发射是高度准直周围的正常入射,这允许同时有效的泵浦激发和收集所产生的非线性信号。我们的研究结果可能会导致前所未有的转换效率在参数下变频和二次谐波产生在一个非常紧凑的架构。
2019-08-07 physics.app-ph physics.optics
Suspended photonic crystal membranes in AlGaAs heterostructures for integrated multi-element optomechanics
我们提出了高反射率的机械谐振器制作的AlGaAs异质结用于在电信波长制度的自由空间光学腔。机械谐振器制造在GaAs板中,并用光子晶体图案化以增加其面外反射率。机械模式的表征揭示了GaAs器件层中的残余拉伸应力。这种应力导致比未受应力的GaAs更高的机械频率,并且可以用于机械耗散的应变工程。同时,我们发现入射光束的有限束腰导致了反射光谱的下降。该特征源于与光子晶体的引导共振的耦合,这是在设计有限尺寸的板时必须考虑的效应。这里展示的单层和亚$\upmu$ m间距双层板可以直接在同一材料平台上的分布式布拉格反射镜的顶部上制造。该平台为在芯片上实现集成多元件腔光机器件和光机微腔开辟了一条途径。
2020-08-28 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Improved design and experimental demonstration of ultrahigh-Q C${}_\text{6}$-symmetric H1 hexapole photonic crystal nanocavities
H1光子晶体纳米腔是基于单点缺陷的,具有各种对称特征的本征模。因此,它是光子紧束缚晶格系统的一个有前途的构建块,可用于凝聚态,非厄米和拓扑物理的研究。然而,提高其辐射质量($Q$)因子被认为是具有挑战性的。在这里,我们报告的六极模式的H1纳米腔的$Q$因子超过$10^8$的设计。由于模式的${\rm C_{6}}$对称性,我们通过仅设计四个结构调制参数来实现这种极高的$Q$条件,尽管对于许多其他纳米腔需要更复杂的优化。所制造的硅光子晶体纳米腔表现出系统的变化,其谐振波长取决于1 nm单位的空气孔的空间移位。在26个这样的样本中,我们发现了8个加载$Q$因子超过100万($1.2 \times 10^6$最大值)的腔。我们研究了理论和实验性能之间的差异进行模拟系统的输入和输出波导和随机分布的空气孔半径。使用相同设计参数的自动优化进一步将理论$Q$因子提高了$4.5 \times 10^8$,这比以前的研究高出两个数量级。我们的工作将H1纳米腔的性能提升到了半导体- $Q$的水平,并为其具有非常规功能的大规模阵列铺平了道路。
2023-01-06 physics.optics
Rotation-tuned single hexagonal air cavity assisting in third-harmonic generation via hybrid modes
本文提出旋转调谐的六角形空气腔,利用混合模式增强场约束并提高Q值,通过集成硅圆柱体实现Mie共振调谐,最终诱导绿光三次谐波,为高Q空气腔及多功能电光器件设计提供新策略。
2025-05-07 nucl-th physics.optics
Plasmonic-Photonic Hybrid Nanodevice
本文提出基于光子晶体(PC)结构设计并制备一种新型等离激元-光子混合纳米器件,实现外部源与NA的高效耦合,通过数值模拟与实验表征证明NA能调控激光器的光学特性及光场分布。
2023-05-24 physics.app-ph physics.optics