连续区光子束缚态理论与传感应用研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61575002
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0502.光子与光电子器件
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

Trapping or storing light is of great importance for both science and technology. It is the basis of wide-ranging applications for optical communication, quantum computation, and particularly, chemical and biology sensing. A conventional device for confining light is known as optical resonator, in which outgoing waves are completely forbidden. However, recent finding indicate that perfect light trapping can still be achieved even allowed outgoing waves, because of a particular localized state, the bound sate in the continuum (BIC). Utilizing periodic electromagnetic structure that is analogy to a quantum system, the permittivity distribution can be manipulated to support BIC. In this project, we propose to realize BIC in a photonic crystal (PC) system working in the continuum region. Based on a full-wave, 3D coupled-wave theory model that depicts the interaction and couplings between those individual Bloch waves, the BICs can be reviewed from an analytical perspective. We will develop a comprehensive theoretical model to present BIC in both infinite-periodicity and finite-size structures. The intrinsic symmetric and topologic natures of the photonic system will be investigated. In addition, since the optical leakage and reflection on the boundary will degrade light-trapping, we attempt to eliminate them that form a full-space localized BIC. Further, we will investigate novel sensing mechanism by utilizing two kinds of BIC, i.e, symmetric BICs and tunable BICs. The device will be fabrication by using standard semiconductor processes, such as EBL and ICP, on the silicon-on-insulator (SOI) platform. To observe BIC, a reflectivity spectrum measurement system will be constructed by using lock-in amplifier for achieving maximum sensitivity. A demonstration of the refractive index sensing based on BIC will be experimentally presented. We believe our exploring of the BICs will be essential important for understanding the fundamental physics in photonic system, and will boost the application in optical communication and bio/chemical sensing.
如何实现维纳尺度下的光场束缚(light trapping)是光电子领域一个广为关注的问题,它是实现光缓存、光逻辑、光量子器件,及各种生物和化学传感应用的基础。本项目拟利用光子晶体类比量子系统的“原子势场”,通过“连续区光子束缚态(BIC态)”在允许光逃逸情况下实现光场束缚。项目拟研究BIC态的物理规律,澄清光子系统内禀性质如对称性、拓扑特性与BIC态的关系;进而建立精确、高效的理论模型;并探索有限尺度下全空间局域化BIC态的可能性。基于标准半导体工艺,项目拟突破BIC态制备和观测关键技术。应用方面,项目拟利用BIC态在器件面积和稳定性上的优势,探索新型折射率传感机理,并进行实验验证。作为一种不同于传统“微谐振腔”的光场局域化新机制,“连续区光子束缚态”,逐渐成为学术界研究的热点,具有巨大科学意义和广阔应用前景。特别是基于BIC态的传感应用目前尚属空白,极具研究价值。

结项摘要

如何实现微尺度下的光场束缚(light trapping)是光电子领域一个广为关注的问题,它是实现光缓存、光逻辑、光量子器件,及各种生物和化学传感应用的基础。本项目利用光子晶体类比量子系统的“原子势场”,通过“连续区光子束缚态(BIC态)”在允许光逃逸情况下实现光场束缚。项目研究了BIC态的物理规律,澄清光子系统内禀性质如“对称”和“拓扑”性质与BIC态的关系;进而建立精确、高效的理论模型;光子晶体辐射引入的非厄米性质导致了新奇的物理现象,项目发现了一种独特的体费米弧和偏振态半整数拓扑荷现象,体现了非厄米体系独特的拓扑性质。拓扑荷为实现局域化、高Q值BIC态的新机理和新方法。基于标准半导体工艺,项目突破了BIC态制备和观测关键技术,利用拓扑荷合并机理实现了对随机散射鲁棒的高Q谐振态,实测Q值达创纪录的50万。作为一种不同于传统“微谐振腔”的光场局域化新机制,“连续区光子束缚态”在包括集成光源、传感器、量子计算等领域具有巨大科学意义和广阔应用前景。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(5)
专利数量(1)
Analytical and statistical investigation on structural fluctuations induced radiation in photonic crystal slabs
光子晶体板中结构波动诱发辐射的分析和统计研究
  • DOI:
    10.1364/oe.25.005580
  • 发表时间:
    2017-03-06
  • 期刊:
    OPTICS EXPRESS
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Ni, Liangfu;Jin, Jicheng;Li, Zhengbin
  • 通讯作者:
    Li, Zhengbin
Synthesis and observation of non-Abelian gauge fields in real space
实空间非阿贝尔规范场的综合与观测
  • DOI:
    10.1126/science.aay3183
  • 发表时间:
    2019-06
  • 期刊:
    Science
  • 影响因子:
    56.9
  • 作者:
    Yi Yang;Chao Peng;Di Zhu;Hrvoje Buljan;John D. Joannopoulos;Bo Zhen;Marin Soljačić
  • 通讯作者:
    Marin Soljačić
Optical measurement by a dual-frequency comb based on Rayleigh scattered Stokes light
基于瑞利散射斯托克斯光的双频梳光学测量
  • DOI:
    10.1016/j.optcom.2019.02.004
  • 发表时间:
    2019-06
  • 期刊:
    Optics Communications
  • 影响因子:
    2.4
  • 作者:
    Li Pei;Chen Fangyuan;Peng Chao;Li Zhengbin
  • 通讯作者:
    Li Zhengbin
Thermal phase noise in giant interferometric fiber optic gyroscopes
巨型干涉光纤陀螺仪中的热相位噪声
  • DOI:
    10.1364/oe.27.014121
  • 发表时间:
    2019-05-13
  • 期刊:
    OPTICS EXPRESS
  • 影响因子:
    3.8
  • 作者:
    Li, Yulin;Cao, Yuwen;Li, Zhengbin
  • 通讯作者:
    Li, Zhengbin
Analytical Perspective of Interfering Resonances in High-Index-Contrast Periodic Photonic Structures
高折射率对比度周期性光子结构中干涉共振的分析视角
  • DOI:
    10.1109/jqe.2016.2568763
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    IEEE Journal of Quantum Electronics
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Wang Zhixin;Zhang Hanxing;Ni Liangfu;Hu Weiwei;Peng Chao
  • 通讯作者:
    Peng Chao

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  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    彭超;潘结南;万小强;朱绍军;王小玉;董永智
  • 通讯作者:
    董永智
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  • 发表时间:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
    彭超
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    彭超;刘斌
  • 通讯作者:
    刘斌

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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