融入WS2的Tamm微腔强耦合机制研究

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由微腔光子和激子在强耦合机制下形成的激子极化激元(EP,exciton polariton),兼具光与物质两面性,是一种轻质准粒子,为研究光与物质的相互作用提供了超低能耗的平台,在未来光电、微纳光子集成和量子信息等领域中有着重要的应用前景。融入二维材料的微腔可实现EP的室温激发,克服了传统量子阱微腔EP的低温操作限制;同时,金属-分布式布拉格反射镜(M-DBR)结构形成的Tamm等离子体(OTP,optical Tamm polariton)提供较强的光限制,可以替换双DBR微腔,获得更简单、紧凑易于片上集成的EP光电子器件。相关研究是近期学术界关注的热点,其中,针对该类型EP器件进行全光操控的研究亟待深入开展。本文创新性的提出了一种利用光学Stark效应及其自旋/偏振敏感特性来操纵EP,为基于EP的高速、低功耗光功能器件研究提供了理论支持。首先,研究了M-DBR结构中OTP的基本特性,在此基础上,将单层WS2融入M-DBR结构中,使激发的OTP与单层WS2中的激子发生强耦合作用,形成EP。通过反射谱分析,观察到了标志性的双峰特性,两个峰值位于激子能量的两边,对应EP的上下分支。进一步研究了上下EP分支的色散特性及其随OTP与激子能失配量的变化关系,观察到了强耦合机制对应的能级反交叉现象,及Rabi分裂。研究中的理论模型分析数据与数值仿真结果达到了很好的契合。其次,研究了基于光学Stark效应的EP操控。通过设计M-DBR和WS2混合结构的势能分布(在结构中蚀刻三条一维势垒通道),定义了三条EP波导通道,自由运转条件下各通道的EP模式相互独立。利用光学Stark脉冲引起的EP势能微扰,控制不同通道之间EP的耦合作用;精确改变Stark脉冲宽度等参数,理论实现了不同通道间EP的分流和交换等操控。此外,针对WS2的能谷选择性,提出了偏振敏感的Stark脉冲调控方法,实现了不同偏振态/自旋的EP单独调控。这些研究,可以与Stark控制光的时间-空间编码特性结合,为量子、光子集成应用中的路由、寻址等操作开辟道路。
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