[NSFC]光子带隙调控、新效应及其应用

项目名称：光子带隙调控、新效应及其应用首席科学家：xxx

起止年限：2011.1至2015.8

依托部门：教育部上海市科委

二、预期目标

总体目标：

围绕光子晶体的带隙调控、新现象及其应用，研究光子晶体带隙调控新机理和新现象，如特异材料及复合周期性结构和关联光子学微结构阵列；研究光子人工微结构集成回路的调控机理与新现象，如光子晶体和亚波长金属周期微结构中高品质微腔、对量子受限系统中的受激激发和自发辐射过程的影响、量子信息的制备和调控等。研究光子晶体中光调控新效应与潜在应用研究，如三维光子晶体的光调控新效应、非线性光子晶体的光调控新效应、光子局域共振微结构诱导的干涉效应和宏观量子效应等。通过项目的实施，在基础研究上取得一批在国际学术界领先的成果，产生一批有自主知识产权的专利技术，为光通讯、微波通讯、光电集成、航空航天系统及国防科技等领域的跨越式发展提供基础研究支撑。

五年目标：

1.设计与制备微波波段特异材料，利用特异材料及其复合周期结构

的特殊带隙结构、奇异缺陷模式和界面模式，研制新型微波原理性器件如新型飞行器天线罩、用于高速移动系统无线信道分析的新型天线等。

2.设计与制备光子晶体与量子受限系统复合结构，利用光子晶体与

量子受限系统复合结构光电量子调控和量子限制所产生的新激光原理和激光现象，研制新型激光器。

3.设计与制备亚波长金属周期微结构与量子受限系统复合结构，利

用光子晶体与量子受限系统复合结构光电量子调控和量子限制所产生的新跃迁激发原理和吸收现象，研制新型红外波段探测器。

4.设计与制备光子学微结构阵列，利用非线性光子学微结构阵列的

特殊带隙结构和光调控效应，研制新型光调制器件如光开关。5.发表一批高质量学术论文，形成一批有自主知识产权的专利技术。

三、研究方案

学术思路：

本课题以未来信息技术为目标，从学科前沿与国家需求有机结合点出发，紧密围绕光子晶体的带隙调控与新现象这一中心任务，将材料制备、测试和表征、理论分析和器件应用等有机结合起来，针对具体的关键科学问题进行系统和深入的研究和探索。在科研队伍的组织上，注重知识结构的互补匹配，实行理论设计、制作、表征等的合理搭配和密切结合，形成最佳搭配。在研究力量的调配上，最大限度地起用活跃在科研第一线的、有能力的年轻人才。在研究工作中注重实验研究与理论研究密切结合；材料制备与器件研制密切结合；基础研究与应用研究密切结合。在关注基本概念的提出、基本模型和基本理论建立的同时，进行有重大应用前景的新材料、新器件原型的研制。通过项目的实施，在基础研究上取得一批在国际学术界领先的成果，产生一批有自主知识产权的专利技术，为光通讯、微波通讯、光电集成、航空航天系统及国防科技等领域的跨越式发展提供基础研究支撑。

技术路径：

创新点与特色、取得重大突破的可行性：

在研究工作的三个不同层面上，本项目具有明显的特色并具备了取得突破的研究基础。

（1）光子晶体带隙调控新机理和新现象的研究。形成光子带隙结构有多种不同的机制，过去的研究工作主要集中在周期结构中的

Bragg散射机制。本项目的创新点之一是围绕非传统机制（如

非线性、隧穿）和非传统结构（如手性、梯度分布）展开光子

带隙的调控机理及其新效应研究。

（2）光子人工微结构集成回路的调控研究。在过去的许多工作中，对光子和电子两种最重要的载流子的调控方式是独立进行的：

即利用量子受限系统调控电子的行为，利用光子人工微结构如

光子晶体或亚波长金属周期微结构调控光子的行为。本项目的

创新点之二是研究光子人工微结构与电子量子受限系统复合结

构的光电耦合调控机理与新现象。

（3）光子晶体中光调控新效应与应用研究。过去的研究工作，大量地集中在二维光子晶体调控行为、集中在周期性结构的带隙结

构和调控作用、集中在光子晶体的线性效应，而对三维光子晶

体的调控行为、非周期和共振耦合结构的带隙结构和调控作用、光子晶体的非线性效应等问题关注较少。本项目的创新点之三

是研究特殊结构光子晶体光调控新效应及其潜在应用。

本项目的主要参与单位对光子晶体进行了多年研究，取得了一批独创性的成果。另外，本项目的研究队伍还承担了重大科学研究计划（量子调控研究计划）项目“光子晶体的带隙调控机理与新现象研究”（起止日期：2006.12－2010.8）研究工作。在该项目的支持下，我们在上述三个层面取得了一批有特色的初步研究成果。这些成果一方面为本项目更进一步深入研究打下了基础；另一方面前期研究工作培育出一些在国际上有特色和影响的新生长点，这为我们取得有

重大影响的研究成果提供了突破口。另外，通过第一期量子调控研究计划项目的支持，项目各课题组的相关技术储备和研究条件均得到了很好的充实发展，而且课题组之间形成了良好的有机合作关系。（具体情况详见项目申请书的“现有工作基础和条件”及“研究队伍”两个部分）这些前期工作形成的条件和基础，将能够保证我们顺利完成本申请项目的预期研究目标。

课题设置

课题设置的思路是：深入了解光子晶体的基本物理作用原理和过程、材料选取和制作方法和工艺等，发现新现象和新效应等，并在此基础上以国家需求为牵引，进行原理性器件的探索研究。课题的设置按不同层次分为：光子晶体带隙调控新机理和新现象的研究、光子人工微结构集成回路的调控研究、光子晶体中光调控新效应与

应用研究。本项目分解成以下四个课题，相互之间有机结合、相互支撑。各课题组在三个层面参与研究内容情况如下图所示，其中线条粗细代表参与程度（例如最粗线条表示承担的最主要研究任务）。

课题一、特异材料及复合周期性结构的带隙调控、新效应及其应用

研究特异材料及相关复合结构（如正－双负材料复合周期结构、电单负－磁单负复合周期结构、异质结构等）对电磁波的调控作用。研究重点为材料的设计、制备和表征；非传统机制（如隧穿机制）和非传统结构（如非周期、梯度结构）的光子带隙形成机理及其对电磁波的调控作用；奇异缺陷模式和界面模式的形成机理及其对电磁波的

调控作用；特异材料共振微结构诱导的干涉效应和宏观量子效应影响等。具体研究内容和目标如下：

（1）双负材料及相关复合结构的带隙结构、奇异缺陷模式和界面模式形成机理及其对电磁波脉冲传播过程的调控作用。主要研究

由双负性材料和正常材料构成的周期、准周期及非周期等结构

中电磁波的群速度、脉冲延迟和脉冲形变等输运问题，建立与

完善基于微带及共面波导的特异材料制备与测试平台。通过材

料色散关系的选取、各成分排列次序和组合规则的选择以及实

验参数的误差控制等对电磁波在双负材料中的传输特性及其

潜在的实际应用进行更为深入的研究。

（2）单负材料及相关复合结构的带隙结构形成机理及其对电磁波脉冲传播过程的调控作用。主要研究由电单负材料和磁单负材

料构成的周期、准周期及非周期等结构中电磁波的群速度、脉

冲延迟和脉冲形变等输运问题。研究两种单负材料界面处高度

局域的隧穿模的形成机理及其对电磁波的调控作用，如基于隧

穿模式的耦合作用、分频作用等。重点研究结构参数以及两种

单负材料色散关系的选取与组合对上述隧穿模式局域特性的

影响、隧穿模局域程度的表征方法等问题。

（3）特异材料微结构中的量子光学过程及其经典对应。研究处于该结构中原子系统的辐射特性以及光子的量子调控行为，揭示特

异材料对光子行为的修饰作用以及量子光学过程的影响。研究

局域共振结构诱导的光调控新效应，如量子光学中的原子跃迁

吸收电磁感应透明、原子自发辐射量子干涉抑制等现象在光子

晶体中的经典对应。研究特异材料微结构对宏观量子现象如

Casmir力的调控机理。

（4）利用特异材料及其复合周期结构的特殊带隙结构、奇异缺陷模式和界面模式，研制新型微波原理性器件，如利用隧穿效应研

制新型飞行器天线罩、利用动力学调控特异材料研制用于高速

移动系统无线信道分析的新型天线等。

（5）发表论文20－30篇，申请专利5－7项，提供一到两项演示性原理器件。

承担单位：xxx

项目负责人：xxx

主要学术骨干：xxx

经费比例：24％

课题二、光子晶体中光传输新效应及其应用研究

主要研究三维光子晶体缺陷的引入与三维光波导和微腔的设计与制备，从而实现在三维空间内对光子的操控，为三维光子晶体器件的发展提供物理基础；发展全光集成光路中光子晶体波导和微腔的理论体系，研制基于光子晶体的光子集成回路；发展光子晶体与电子量子受限系统复合结构中光电耦合理论，研究微纳结构光子晶体中光量子调控产生激光的基本过程，研制光子晶体激光器；研究特殊结构光子晶体如具有手征特性的磁光光子晶体的光调控新效应。具体研究内容和目标如下：

（1）微波波段三维光子晶体中三维光网络及集成光学器件的研究。

深入探索和完善三维 woodpile光子晶体结构中三维光传输控

制网络和光学器件的设计、构建和测量；构建二维/三维混合

结构光子晶体，并在此结构中设计并实验实现各种三维光传输

网络和三维结构的光学器件；探索三维光子晶体中的慢光效应

和新颖量子光学效应。

（2）磁光光子晶体特性及光传输新现象和新效应的研究。分析磁场

对光子晶体能带结构产生的影响和能带变化对各种光学现象

的影响; 分析磁光光子晶体中引入各种缺陷如点缺陷、线缺陷

等所产生的光学现象，重点考察由于时间反演对称破缺引起的

电磁波边缘态产生和单向传输现象，以及在波导中引入障碍物

对单向导通的影响; 探索在普通电介质光子晶体中引入各种

磁光材料构成的缺陷，如点缺陷、线缺陷等产生的新奇电磁波

传输现象。

（3）光子晶体高Q纳米微腔及其与量子体系相互作用的研究。发展纳米加工技术和微区精密光谱测量技术，制作基于硅平板的二

维光子晶体微腔，测量其光学特性，摸索工艺过程，提高微腔

的品质因子；探索光子晶体高Q纳米微腔与原子或者半导体量

子点相互作用，分析基本的量子光学物理量的变化性质，包括

Rabi分裂，自发辐射寿命等；分析高Q微腔里调控光与量子

态耦合作用的各种物理机制，探索将量子态的调制与光子集成

器件相结合的物理方案和技术路线。

（4）新型光子晶体激光产生原理及器件的研究。研究特殊结构光子晶体如Anderson光子晶体中，新型激光振荡产生的基本过程；

通过理论和实验研究光子人工微结构中光子态对量子受限结

构电子态的布局分布、位相调制和辐射跃迁的新效应，发展光

子晶体与电子受限系统复合结构中的光电耦合理论；通过分析

特定激光振荡模式在光子晶体中的局域特性、共振隧穿特性、

反常色散特性、慢光特性等，探索获得高性能激光的基本原理

及设计思想；设计与制备光子晶体与量子受限系统复合结构，

利用光子晶体与量子受限系统复合结构光电量子调控和量子

限制所产生的新激光原理和激光现象，研制新型激光器；研究

和完善新型激光光源的测试原理和方法。

（5）在国内外申请发明专利5－7项，在SCI杂志上发表论文20－30篇。

承担单位：xxx

项目负责人：xxx

主要学术骨干：xxx

经费比例：30％

课题三、关联光子学微结构的非线性光学特性与调控机理研究

主要围绕关联光子学微结构的新型可控制备和非线性光学特性及其调控的新原理、新技术和新效应开展研究。具体将结合物理和化学手段，利用非线性光学材料和效应发展可控关联光子学微结构体系制备方法，研究和实现微结构体系的非线性光学特性、光子带隙以及对光波传播性质的调控，发展基于微结构体系的微光子学器件应用。具体研究内容和目标如下：

（1）关联光子学微结构的制备和表征。主要采用非线性光诱导、周期畴极化、飞秒加工、化学蚀刻等技术，在各种基质材料上设

计和制备出高性能、高光学质量的关联光子学微结构，进行结

构表征。

（2）研究关联光子学微结构的非线性光学效应及其对光子带隙、光传输的调控机理，研究非线性光子学微结构中带隙的引入和局

域场增强等效应对二阶和三阶非线性过程的影响，研究长程表

面等离子激元波激发及调控。

（3）基于关联光子学微结构的器件应用研究，包括非线性微结构在光学非线性和外场作用下的光子带隙和光传播模式的变化及

其在窄带滤波、光开关、光二极管效应、光限制效应，传感、

表面二次谐波发生器等方面的应用。

（4）在国内外申请发明专利5－7项，在SCI杂志上发表论文20－30篇。

承担单位：xxx

项目负责人：xxx

主要学术骨干：xxxx

经费比例：18％

课题四、光子晶体能带调控及新效应研究

主要围绕非传统光子晶体的能带特性，研究其对电磁波的带隙调控机理及其新效应。研究存在短程序的非晶光子晶体的全向赝带隙特性及其特殊调控机制；研究金属/介质体系的亚波长效应以及对电磁波的调控机理研究；研究铁氧体光子结构的电磁波传输机制及其对辐射性能的调控。并在此基础上设计和制备新型的光子晶体，探索其在应用领域的前景。具体研究内容和目标如下：

（1）利用自组织生长多种结构的二维和三维非晶光子晶体；完善对非晶光子晶体材料的结构表征方法和拓扑分类；研究非晶

光子晶体中的电磁场特性和全向赝带隙的形成机理；给出非

晶光子晶体赝带隙对电磁波传输、吸收和辐射特性的调控机

理。

（2）利用铁氧体的材料性能，研究其周期结构的能带特性；通过外场调控其体系的传播和辐射性能；研究结构中的时间反演

对称破缺对电磁波的调控性能；并探索该体系在微波频段的

应用器件研究。

（3）利用自组织排列和微纳加工技术制备亚波长金属/介质光子结构；研究其结构的局域共振和表面等离子体的能带特性；

研究其电磁波的亚波长特性，及其对传输、吸收和辐射特性

的调控机理；研究该结构对光子自旋的调控机理。

（4）探索亚波长金属/介质光子结构对半导体发光和太阳能捕获的增强效应；并探索其能带特性对红外大气窗口的辐射抑制

和增强效应，并由此开发新型红外探测器件；研究结构对表

面光电化学的增强和抑制的调控机理；研究表面等离子结构

上的荧光增强及定向效应，并由此开发新型高效的荧光测试

器件。

（5）在国内外申请发明专利5－10项，在SCI杂志上发表论文20－30篇

承担单位：xxx

项目负责人：xxx

主要学术骨干：xxx

经费比例：28%

四、年度计划

一、研究内容

围绕光子晶体的带隙调控机理与新现象，项目将开展三个层面的研究工作。第一个层面的工作为光子晶体带隙调控新机理和新现象的研究，它主要包括特异材料复合周期性结构和关联光子学微结构阵列。第二个层面的工作为光子人工微结构集成回路的调控研究，它主要包括光子晶体无源、有源器件和回路；亚波长金属周期微结构无源器件和回路。第三个层面的工作为光子晶体中光调控新效应与应用研究，它主要包括三维光子晶体的光调控新效应、非线性光子晶体的光调控新效应、特殊结构光子晶体的光调控新效应、共振微结构诱导的干涉效应和宏观量子效应、以及他们的潜在应用等。

拟解决的关键科学问题：

光子晶体的带隙调控机理与新现象：特异材料研究包括双负材料（介电系数和磁导率同时小于零，又被称为左手材料，负折射材料）和单负材料（介电系数和磁导率仅有一个小于零，前者被称为电单负材料，后者为磁单负材料），拟解决的关键问题是多成分（正－双负材料、电单负－磁单负）复合周期结构中的特殊光子能带与能隙结构的形成机理。例如单负材料仅支持倏逝场，因此来源于传播场多重散射的Bragg带隙机制不再起作用。关联光子学微结构阵列提供了一个从局域共振结构耦合而不是波散射的机制来研究光子带隙。我们将围绕微结构阵列体系所导致的光波调控新原理、新现象和新效应，微结构阵列的制备和表征展开研究，进而发展基于关联光子学微结构阵列的新型微光子学器件。拟解决的关键科学问题是光子学微结构阵列的带隙形成机理及其对光子传播行为的调控作用。

光子人工微结构集成回路的调控研究：在深入了解电子受限结构中量子态与光子人工微结构中光子态耦合的基本物理特性、材料选取

和制备的基础上，通过理论和实验研究光子人工微结构中光子态对量子受限结构电子态的布居分布、位相调制和跃迁辐射的新效应，发现电子和光子在量子跃迁上相互耦合的新现象，发展光子人工微结构集成回路的制备与表征技术，探索在新型激光光源、新型红外探测等重要应用方向上的光电功能新效应。

光子晶体中光调控新效应与应用研究：三维光子晶体缺陷类型的引入与三维光波导、微腔设计与制备；光子晶体和亚波长金属周期微结构非线性效应；特殊结构光子晶体如具有手征特性的磁光光子晶体和非周期光子晶体的光调控新效应与应用研究；局域共振结构诱导的光调控新效应与应用研究，如量子光学中的原子跃迁吸收电磁感应透明、原子自发辐射量子干涉抑制等现象在光子晶体中的经典对应与应用研究。

主要研究内容：

1.光子晶体的带隙调控机理和新现象、新效应

研究光子晶体及相关光子人工微结构的带隙结构及缺陷模的形成机理，发展完整和有缺陷的光子晶体材料中波传播的散射理论，包括平面波展开、多重散射、关联光子学微腔理论、有限差分时域理论；研究晶格对称性（包括周期和非周期结构）和晶格散射“原子”物性与能带、缺陷模之间的内在关系；开发微波、近红外和可见光区的全带隙光子晶体的材料设计系统。研究非线性光子晶体中带隙的引入对二阶和三阶非线性过程的影响及效应。发展全光集成光路中光子晶体波导和微腔的理论体系；发展光子晶体与电子量子受限系统复合结构中光电耦合理论，研究微纳结构光子晶体光量子调控产生激光的基本过程。

2．光子晶体的制备和表征

探索针对不同波段的光子晶体的制备方法和工艺，建立一套制备光子晶体的高效、低成本、有自主知识产权的制备技术。研究针对不同波段的光子晶体的表征方法，为改进制备技术和应用打下基础。

发展微球包裹及其自组装技术，研究多种材料化学合成和填充技术，研制红外和可见光区的全带隙光子晶体。发展和完善晶体生长条纹技术、室温极化技术和多层膜生长技术，制备光子学微结构阵列及非线性光子晶体。

发展基于EBL, FIB, ICP, MBE、MOCVD、PLD、Sol-gel、Sputtering 等光子晶体的制备及其缺陷的控制和引入技术，制作红外及可见波段光子晶体与量子受限系统复合结构。

发展微加工和表面封装元件工艺技术制备微波波段一、二维特异材料及相关复合周期性结构，如正－双负材料构成的复合周期性结构、电单负－磁单负材料构成的复合周期性结构。

利用AFM、TEM、SEM、HREM、STM、FIB等微结构表征手段，以及微区Raman、FTIR、紫外—可见—红外分光光度计研究材料的微区透射、反射和吸收性质，为材料制备和器件制备提供依据。

3.光子晶体的应用研究

利用特异材料及其复合周期结构的特殊带隙结构、奇异缺陷模式和界面模式，研制新型微波原理性器件如新型飞行器天线罩、用于高速移动系统无线信道分析的新型天线等。

利用光子晶体与量子受限系统复合结构光电量子调控和量子限