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：陈鸿同济大学

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