汇总了作者团队近年来在微纳光子器件研究领域的**研究成果，系统介绍纳米光子器件的工作原理、设计方法、模拟仿真手段、制作工艺、测试流程，以及应用领域等，并就深度学习、神经网络、梯度下降、启发式算法，包括遗传算法、二元搜索算法、粒子群优化等AI设计算法在微纳光子器件设计领域的应用展开讨论。本书按照微纳光子器件的种类和应用组织撰写，第一部分硅基片上微纳光子器件，包括第1章～第4章，主要介绍亚波长光栅耦合器、分束器、滤波器等。第二部分石墨烯太赫兹波束调控器件，包括第5章～第8章，主要介绍石墨烯太赫兹波束调控器件。第三部分超表面和光子晶体器件，包括第9章～第12章，主要介绍超透镜、混合材料超表面等。第四部分微纳光子器件的智能算法设计，包括第13章和第14章，主要介绍智能算法所设计的分束器等。第五部分微纳光子器件的应用，包括第15章～第18章，主要介绍光量子与热伪装方面的应用。
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目录
第一部分硅基片上微纳光子器件
第1章耦合器理论3
1.1引言3
1.2波导光栅器件设计理论4
1.2.1波导光栅结构4
1.2.2布拉格条件5
1.2.3波矢图6
1.3严格耦合波解析方法7
1.4FDTD数值方法11
参考文献13
第2章硅基波导模斑转换器15
2.1引言15
2.2基本原理和设计方案17
2.2.1相位补偿原理17
2.2.2设计与优化19
2.3基于光学透镜的锥形模斑转换器21
2.4拓展延伸24
2.5本章小结27
参考文献27
第3章偏振相关波导器件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设计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设计TM型偏振器参数优化33
3.2.5本节小结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多模干涉耦合器的设计41
3.3.5本节小结45
3.4本章总结46
参考文献46
第4章硅基波导光栅耦合器的设计48
4.1引言48
4.2阶梯型波导光栅耦合器的设计及模拟48
4.3二元闪耀光栅耦合器的设计及模拟52
4.3.1等效介质膜理论52
4.3.2二元闪耀光栅占空比55
4.3.3二元闪耀光栅的设计及数值模拟57
4.4对称式全刻蚀啁啾型亚波长二元闪耀光栅分束器62
参考文献66
第二部分石墨烯太赫兹波束调控器件
第5章石墨烯电磁特性及波束调控原理69
5.1引言69
5.2石墨烯的电磁特性69
5.2.1石墨烯的能带结构70
5.2.2石墨烯的电导率72
5.2.3石墨烯的可调谐特性74
5.2.4石墨烯的表面等离激元74
5.3广义斯内尔定律82
5.4涡旋光束的基本原理85
5.4.1涡旋光束的性质85
5.4.2涡旋光束的产生方法86
5.5有限元算法简介87
5.6本章小结88
参考文献89
第6章基于单电极调控的波束摆扫与动态聚焦器件93
6.1引言93
6.2波束调控器件研究现状94
6.3非均匀周期性结构的特性分析97
6.3.1结构单元特性分析98
6.3.2绝缘介质层厚度的优化101
6.3.3传统设计方法的缺陷102
6.4单电极调控的波束摆扫器件103
6.4.1单电极控制的波束摆扫器件设计103
6.4.2不同尺寸器件的性能对比106
6.4.3波束摆扫器的宽带特性分析108
6.5单电极调控的可变焦超透镜109
6.5.1可变焦超透镜的设计109
6.5.2可变焦超透镜的可调特性分析111
6.5.3可变焦超透镜的宽带特性分析112
6.6本章小结113
参考文献114
第7章基于开口谐振环的可调偏振转换与波束调控器件116
7.1引言116
7.2可调偏振转换超材料的研究现状116
7.3超薄的可调偏振转换器件117
7.3.1结构设计与响应特性分析117
7.3.2偏振转换原理分析119
7.3.3偏振转换效率的可调性121
7.4偏振转换与分束器件123
7.4.1开口谐振环的相位特性分析123
7.4.2偏振分束器的结构设计与分析124
7.5偏振转换与聚焦器件128
7.5.1偏振聚焦超透镜设计128
7.5.2偏振聚焦超透镜特性分析131
7.6本章小结132
参考文献133
第8章基于交叉形结构的可调涡旋光生成器件135
8.1引言135
8.2基于超表面方式产生涡旋光的机理分析136
8.3交叉形谐振单元的提出与特性分析138
8.3.1常规设计结构的缺陷138
8.3.2交叉形谐振结构单元的提出140
8.3.3交叉结构谐振单元的特性分析141
8.4不可调控涡旋光生成器设计143
8.4.1不可调控螺旋相位板的结构设计143
8.4.2不可调涡旋光生成器的效果分析146
8.5可调控涡旋光束生成器设计147
8.5.1可调螺旋相位板的参数选取147
8.5.2可调涡旋光束生成器效果分析149
8.6本章小结151
参考文献151
第三部分超表面和光子晶体器件
第9章基于相变材料的近红外可调平面透镜155
9.1引言155
9.2设计方法156
9.2.1几何相位原理156
9.2.2相变材料调控159
9.2.3单元结构设计161
9.2.4平面透镜设计166
9.3平面透镜调控效果167
9.3.1平面透镜开关调控效果167
9.3.2平面透镜连续调控效果169
9.4平面透镜宽带特性与鲁棒性171
9.4.1平面透镜宽带特性171
9.4.2平面透镜鲁棒性172
9.5本章小结175
参考文献176
第10章中红外动态可调平面透镜阵列180
10.1引言180
10.2相变材料GST可调平面透镜阵列182
10.2.1材料与设计方法182
10.2.2可调平面透镜阵列186
10.3VO2平面透镜阵列192
10.3.1单元结构设计192
10.3.2VO2可调平面透镜阵列调控效果194
10.4本章小结195
参考文献196
第11章基于混合材料超表面的可调电磁感应透明效应198
11.1引言198
11.2相变材料的光学特性199
11.3电磁感应透明效应203
11.4基于相变材料硅超表面的近红外可调电磁感应透明效应207
11.4.1结构、材料与仿真方法208
11.4.2结果与讨论209
11.5基于相变材料金属超表面的太赫兹可调电磁感应透明效应214
11.5.1结构、材料与仿真方法214
11.5.2结果与讨论215
11.6本章小结223
参考文献224
第12章对称光子晶体中的连续域束缚态研究228
12.1引言228
12.2光学连续域束缚态简介229
12.3多极子展开法232
12.4对称光子晶体中的连续域束缚态235
12.4.1几何结构与调制方案235
12.4.2光谱与本征模式分析236
12.4.3品质因子分析240
12.4.4多极子展开分析242
12.4.5非对称调制方案243
12.4.6损耗与基底的影响244
12.5本章小结247
参考文献247
第四部分微纳光子器件的智能算法设计
第13章可扩展的宽带偏振分束器251
13.1偏振分束器251
13.2基于目标优先优化算法的偏振分束器设计253
13.2.1器件结构与优化区域尺寸选取253
13.2.2器件的目标优先优化设计258
13.3梯度下降与水平集方法260
13.3.1梯度下降法的定义260
13.3.2梯度下降法的优化流程260
13.3.3梯度下降法的优化结果263
13.3.4水平集方法264
13.3.5水平集演化结果267
13.4本章小结267
参考文献270
第14章聚焦波长分束器272
14.1基于逆向设计算法的多功能器件272
14.2聚焦波长分束器273
14.2.1建模274
14.2.2二值化276
14.2.3正则化279
14.2.4加工测试281
14.2.5测试结果285
14.2.6鲁棒性分析287
14.2.7三通道聚焦波长分束器288
14.3本章小结289
参考文献289
第五部分微纳光子器件的应用
第15章偏振不敏感量子干涉仪293
15.1研究背景293
15.2偏振不敏感量子干涉仪的设计295
15.2.1MMI多模干涉耦合器的原理295
15.2.2MMI分束器参数的优化295
15.2.3MZI的工作原理300
15.3本章总结302
参考文献303
第16章偏振不敏感3×3量子干涉系统304
16.1研究背景304
16.2基本原理305
16.2.1 3×3量子干涉仪的基本原理305
16.2.2偏振不敏感3×3MMI耦合器的设计308
16.2.3偏振不敏感3×3MMI耦合器参数优化310
16.3本章总结314
参考文献315
第17章热伪装微结构设计及其应用316
17.1引言316
17.2热伪装的基本理论317
17.2.1热成像基本原理317
17.2.2中红外大气透明窗口318
17.3基于反向设计的微结构应用于兼容热管理的热伪装319
17.3.1热伪装超表面结构设计320
17.3.2热伪装超表面原理分析322
17.3.3热伪装超表面性能评价324
17.4激光操控热伪装微结构及多功能热伪装329
17.4.1热伪装微结构设计及制备329
17.4.2热伪装性能表征及热源伪装数值模拟334
参考文献343
第18章红外辐射调控及其应用346
18.1引言346
18.2基于反向设计的太阳光吸收体346
18.2.1反向设计超表面结构347
18.2.2单层纳米柱及双层纳米柱数值模拟分析347
18.2.3反向设计超表面性能评估352
18.3基于反向设计的类光子晶体辐射器应用于辐射冷却358
18.3.1类光子晶体辐射器反向设计358
18.3.2类光子晶体辐射器性能评估361
18.4基于石墨烯的可调器件设计及其应用368
18.4.1石墨烯超表面图案化设计368
18.4.2石墨烯电导率可调理论369
18.4.3石墨烯超表面应用于多功能光器件调制370
参考文献378
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