光子晶体/超表面

光子晶体、超表面等周期微纳结构可以通过具有光波长厚度、亚波长周期的人工微纳结构阵列，实现对入射光的相位、振幅、偏振、频谱等参量的灵活调控，为新型智能感知光电芯片提供了新的物理机理和实现途径。传统光学元件的尺寸通常为工作波长的几百倍甚至上千倍，而光子晶体、超表面能够在亚波长尺度内实现对电磁波的调控，大大减小器件的体积，实现器件的平面化、集成化。实验室研究团队基于超表面的“光谱测量基”，突破了传统由空间光程限制的波长分辨，将单点光谱仪的尺寸缩小到了百微米以下；成功与CMOS图像传感器芯片集成，实现了国际首款实时超光谱成像芯片。可快速获得每个像素点的光谱信息，空间分辨率超过15万像素，即在 0.5cm²面积上集成了15万个微型光谱仪，每个微型光谱仪工作谱宽450-750nm，中心波长偏差仅0.04nm，光谱分辨率高达0.8nm，相比已有光谱检测技术实现了从单点光谱仪到光谱成像芯片的跨越。

光声晶体

基于周期微纳结构的光声晶体，可以同时实现对光子、声子的能带调控，通过蓝失谐的光子泵浦光声晶体微腔实现声子激射。实验室研究团队提出并在国际上率先研制出具有最高光声耦合系数（1.9MHz）的异质光声晶体微腔，获得了超窄线宽超高频率（5.2kHz/ 5.9GHz）的声子激射；并用其实现了超高精度片上折射率（~10^-8）和质量传感（6.5×10^-20g）；研制出具有声学奇异点效应的光声耦合芯片，观测到了奇异点附近声学模式劈裂在非厄米参量空间存在根号阶次响应的物理特征。利用这一特性可以突破已有声学系统传感的线性响应，应用于声子精密测量、非互易、声子拓扑等方向。

研究内容

- 纳米臂光声晶体微腔

- 光子晶体带隙限制光波导和微腔

- 光子晶体慢光波导及延时特性

- 基于光子晶体的高集成度无源器件

- 基于光子晶体微腔的高速直调光源

代表性成果

• 实现快照式光谱相机，成功研制出可见光波段、高精度的光谱成像芯片。光谱成像芯片由成千上万个微型光谱仪构成，每个微型光谱仪都可以独立实现光谱分析功能，一次拍照即可获得一幅完整的光谱图像，其中单个微型光谱仪的工作谱宽是450-750nm，分辨率达到亚纳米；

• 基于硅基光声晶体微腔的光弹簧效应（optical spring effect），提出新型的折射率传感器，传感精度δλ/λ = 1.0×10^-7，比现有硅基折射率传感器的最好指标（δλ/λ = 1.0×10^-6）提高一个量级（ACS Photonics, 5_4164, 2018）。提出并制备了异质光声晶体微腔。不同于普通光声晶体微腔利用一种周期结构同时限制光学和机械模式，此结构利用两种周期区域分别限制光学和机械模式，实现了光声耦合系数为1.31MHz异质微腔结构。测试表明微腔的机械频率高达5.66GHz。（Scientific Reports, 6：34160, 2016；Scientific Reports 5: 15964, 2015；Journal of Optics 17(4): 045001, 2015）；

• 提出基于光子晶体带内缺陷模耦合的新型光开关，通过设计和制备的W2 光子晶体波导，成功研制出高集成度( 8mm×17.6mm) 、大宽带(24nm) 、高消光比(15dB) 的宽带光开关。（Applied Physics Letters, 95:191901, 2009; Applied Physics Letters, 100: 201102, 2012; Applied Physics Letters, 101: 151110, 2012; IEEE Photonics Journal 5 (2):2200606, 2013）

• 研制出空气桥结构光子晶体带隙限制光波导，实验测得真空中光速1/80以下的慢光传输。采用时域调制相移的方法测量了光子晶体波导的延时特性，利用长度475mm 的光子晶体波导实现了10GHz 微波信号的25ps 真延时。(Chinese Physics Letters, 26 (7):74213, 2009; Chinese Physics Letters, 25(12):4311, 2008)

• 针对光通信波段的III-V族半导体材料-InP的ICP干法刻蚀工艺展开研究，实现了半径100nm小孔的刻蚀深度为3.5μm，40nm槽的刻蚀深度达到了1.8μm，对应的刻蚀深宽比大于45。（AIP Advances, 3 (2):022122, 2013）提出了一种可用于高速直调nanoLED的具有交错排列空气孔结构的Nanobeam cavity，使得Q值的优化过程与模式体积、谐振波长解耦，计算结果表明通过腔增强的自发辐射效应其直调带宽可以大于60GHz。(IEEE Photonics Journal, 5(1): 4700306, 2013)