微納光子器件智能設計與應用

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《微納光子器件智能設計與應用》，楊俊波 等 著，出版社： 科學出版社。

科學出版社是中國最大的綜合性科技出版機構，由前中國科學院編譯局與1930年代創建的有較大影響的龍門聯合書局合併而來。科學出版社比鄰皇城根遺址公園，是一個歷史悠久、力量雄厚，以出版學術書刊為主的開放式出版社。

目錄

內容簡介

匯總了作者團隊近年來在微納光子器件研究領域的*新研究成果，系統介紹納米光子器件的工作原理、設計方法、模擬仿真手段、製作工藝、測試流程，以及應用領域等，並就深度學習、神經網絡、梯度下降、啟發式算法，包括遺傳算法、二元搜索算法、粒子群優化等AI設計算法在微納光子器件設計領域的應用展開討論。《微納光子器件智能設計與應用》按照微納光子器件的種類和應用組織撰寫，第一部分硅基片上微納光子器件，包括第1章～第4章，主要介紹亞波長光柵耦合器、分束器、濾波器等。第二部分石墨烯太赫茲波束調控器件，包括第5章～第8章，主要介紹石墨烯太赫茲波束調控器件。第三部分超表面和光子晶體器件，包括第9章～第12章，主要介紹超透鏡、混合材料超表面等。第四部分微納光子器件的智能算法設計，包括第13章和第14章，主要介紹智能算法所設計的分束器等。第五部分微納光子器件的應用，包括第15章～第18章，主要介紹光量子與熱偽裝方面的應用。

目錄

第一部分硅基片上微納光子器件

第1章耦合器理論3

1.1引言3

1.2波導光柵器件設計理論4

1.2.1波導光柵結構4

1.2.2布拉格條件5

1.2.3波矢圖6

1.3嚴格耦合波解析方法7

1.4FDTD數值方法11

參考文獻13

第2章硅基波導模斑轉換器15

2.1引言15

2.2基本原理和設計方案17

2.2.1相位補償原理17

2.2.2設計與優化19

2.3基於光學透鏡的錐形模斑轉換器21

2.4拓展延伸24

2.5本章小結27

參考文獻27

第3章偏振相關波導器件29

3.1引言29

3.2定向耦合型TM偏振起偏器及分束器的研究30

3.2.1研究背景30

3.2.2設計TM型偏振起偏器的基本原理31

3.2.3定向耦合器的基本原理32

3.2.4設計TM型偏振器參數優化33

3.2.5本節小結38

3.3偏振不敏感MMI分束器38

3.3.1研究背景38

3.3.2自成像原理39

3.3.3多模干涉耦合器的干涉模式40

3.3.4多模干涉耦合器的設計41

3.3.5本節小結45

3.4本章總結46

參考文獻46

第4章硅基波導光柵耦合器的設計48

4.1引言48

4.2階梯型波導光柵耦合器的設計及模擬48

4.3二元閃耀光柵耦合器的設計及模擬52

4.3.1等效介質膜理論52

4.3.2二元閃耀光柵占空比55

4.3.3二元閃耀光柵的設計及數值模擬57

4.4對稱式全刻蝕啁啾型亞波長二元閃耀光柵分束器62

參考文獻66

第二部分石墨烯太赫茲波束調控器件

第5章石墨烯電磁特性及波束調控原理69

5.1引言69

5.2石墨烯的電磁特性69

5.2.1石墨烯的能帶結構70

5.2.2石墨烯的電導率72

5.2.3石墨烯的可調諧特性74

5.2.4石墨烯的表面等離激元74

5.3廣義斯內爾定律82

5.4渦旋光束的基本原理85

5.4.1渦旋光束的性質85

5.4.2渦旋光束的產生方法86

5.5有限元算法簡介87

5.6本章小結88

參考文獻89

第6章基於單電極調控的波束擺掃與動態聚焦器件93

6.1引言93

6.2波束調控器件研究現狀94

6.3非均勻周期性結構的特性分析97

6.3.1結構單元特性分析98

6.3.2絕緣介質層厚度的優化101

6.3.3傳統設計方法的缺陷102

6.4單電極調控的波束擺掃器件103

6.4.1單電極控制的波束擺掃器件設計103

6.4.2不同尺寸器件的性能對比106

6.4.3波束擺掃器的寬帶特性分析108

6.5單電極調控的可變焦超透鏡109

6.5.1可變焦超透鏡的設計109

6.5.2可變焦超透鏡的可調特性分析111

6.5.3可變焦超透鏡的寬帶特性分析112

6.6本章小結113

參考文獻114

第7章基於開口諧振環的可調偏振轉換與波束調控器件116

7.1引言116

7.2可調偏振轉換超材料的研究現狀116

7.3超薄的可調偏振轉換器件117

7.3.1結構設計與響應特性分析117

7.3.2偏振轉換原理分析119

7.3.3偏振轉換效率的可調性121

7.4偏振轉換與分束器件123

7.4.1開口諧振環的相位特性分析123

7.4.2偏振分束器的結構設計與分析124

7.5偏振轉換與聚焦器件128

7.5.1偏振聚焦超透鏡設計128

7.5.2偏振聚焦超透鏡特性分析131

7.6本章小結132

參考文獻133

第8章基於交叉形結構的可調渦旋光生成器件135

8.1引言135

8.2基於超表面方式產生渦旋光的機理分析136

8.3交叉形諧振單元的提出與特性分析138

8.3.1常規設計結構的缺陷138

8.3.2交叉形諧振結構單元的提出140

8.3.3交叉結構諧振單元的特性分析141

8.4不可調控渦旋光生成器設計143

8.4.1不可調控螺旋相位板的結構設計143

8.4.2不可調渦旋光生成器的效果分析146

8.5可調控渦旋光束生成器設計147

8.5.1可調螺旋相位板的參數選取147

8.5.2可調渦旋光束生成器效果分析149

8.6本章小結151

參考文獻151

第三部分超表面和光子晶體器件

第9章基於相變材料的近紅外可調平面透鏡155

9.1引言155

9.2設計方法156

9.2.1幾何相位原理156

9.2.2相變材料調控159

9.2.3單元結構設計161

9.2.4平面透鏡設計166

9.3平面透鏡調控效果167

9.3.1平面透鏡開關調控效果167

9.3.2平面透鏡連續調控效果169

9.4平面透鏡寬帶特性與魯棒性171

9.4.1平面透鏡寬帶特性171

9.4.2平面透鏡魯棒性172

9.5本章小結175

參考文獻176

第10章中紅外動態可調平面透鏡陣列180

10.1引言180

10.2相變材料GST可調平面透鏡陣列182

10.2.1材料與設計方法182

10.2.2可調平面透鏡陣列186

10.3VO2平面透鏡陣列192

10.3.1單元結構設計192

10.3.2VO2可調平面透鏡陣列調控效果194

10.4本章小結195

參考文獻196

第11章基於混合材料超表面的可調電磁感應透明效應198

11.1引言198

11.2相變材料的光學特性199

11.3電磁感應透明效應203

11.4基於相變材料硅超表面的近紅外可調電磁感應透明效應207

11.4.1結構、材料與仿真方法208

11.4.2結果與討論209

11.5基於相變材料金屬超表面的太赫茲可調電磁感應透明效應214

11.5.1結構、材料與仿真方法214

11.5.2結果與討論215

11.6本章小結223

參考文獻224

第12章對稱光子晶體中的連續域束縛態研究228

12.1引言228

12.2光學連續域束縛態簡介229

12.3多極子展開法232

12.4對稱光子晶體中的連續域束縛態235

12.4.1幾何結構與調製方案235

12.4.2光譜與本徵模式分析236

12.4.3品質因子分析240

12.4.4多極子展開分析242

12.4.5非對稱調製方案243

12.4.6損耗與基底的影響244

12.5本章小結247

參考文獻247

第四部分微納光子器件的智能算法設計

第13章可擴展的寬帶偏振分束器251

13.1偏振分束器251

13.2基於目標優先優化算法的偏振分束器設計253

13.2.1器件結構與優化區域尺寸選取253

13.2.2器件的目標優先優化設計258

13.3梯度下降與水平集方法260

13.3.1梯度下降法的定義260

13.3.2梯度下降法的優化流程260

13.3.3梯度下降法的優化結果263

13.3.4水平集方法264

13.3.5水平集演化結果267

13.4本章小結267

參考文獻270

第14章聚焦波長分束器272

14.1基於逆向設計算法的多功能器件272

14.2聚焦波長分束器273

14.2.1建模274

14.2.2二值化276

14.2.3正則化279

14.2.4加工測試281

14.2.5測試結果285

14.2.6魯棒性分析287

14.2.7三通道聚焦波長分束器288

14.3本章小結289

參考文獻289

第五部分微納光子器件的應用

第15章偏振不敏感量子干涉儀293

15.1研究背景293

15.2偏振不敏感量子干涉儀的設計295

15.2.1MMI多模干涉耦合器的原理295

15.2.2MMI分束器參數的優化295

15.2.3MZI的工作原理300

15.3本章總結302

參考文獻303

第16章偏振不敏感3×3量子干涉系統304

16.1研究背景304

16.2基本原理305

16.2.1 3×3量子干涉儀的基本原理305

16.2.2偏振不敏感3×3MMI耦合器的設計308

16.2.3偏振不敏感3×3MMI耦合器參數優化310

16.3本章總結314

參考文獻315

第17章熱偽裝微結構設計及其應用316

17.1引言316

17.2熱偽裝的基本理論317

17.2.1熱成像基本原理317

17.2.2中紅外大氣透明窗口318

17.3基於反向設計的微結構應用於兼容熱管理的熱偽裝319

17.3.1熱偽裝超表面結構設計320

17.3.2熱偽裝超表面原理分析322

17.3.3熱偽裝超表面性能評價324

17.4激光操控熱偽裝微結構及多功能熱偽裝329

17.4.1熱偽裝微結構設計及製備329

17.4.2熱偽裝性能表徵及熱源偽裝數值模擬334

參考文獻343

第18章紅外輻射調控及其應用346

18.1引言346

18.2基於反向設計的太陽光吸收體346

18.2.1反向設計超表面結構347

18.2.2單層納米柱及雙層納米柱數值模擬分析347

18.2.3反向設計超表面性能評估352

18.3基於反向設計的類光子晶體輻射器應用於輻射冷卻358

18.3.1類光子晶體輻射器反向設計358

18.3.2類光子晶體輻射器性能評估361

18.4基於石墨烯的可調器件設計及其應用368

18.4.1石墨烯超表面圖案化設計368

18.4.2石墨烯電導率可調理論369

18.4.3石墨烯超表面應用於多功能光器件調製370

參考文獻378