一种用于定向光发射的光子带边微阵列谐振天线的研究

20250211

科学研究和技术服务业

一、技术成熟程度 本科技成果在技术层面已达到较高的成熟度，具备良好的专利转化基础。各项研究内容均经过了理论建模、数值模拟和实验验证等多环节的严格验证，从基础的光学结构设计到最终的性能测试，形成了一套完整且可靠的技术体系。 二、工艺情况 在工艺方面，本成果涉及的光子晶体结构制造、材料改性等工艺均已具备成熟的制备流程。光子晶体的制备采用了先进的微纳加工技术，能够精确控制晶体的尺寸、形状和排列，确保结构的高质量和一致性。对于材料改性，如钙钛矿发光材料，通过优化合成工艺和后处理方法，实现了材料性能的显著提升，且工艺可重复性强，能够满足大规模生产的工艺要求。 三、性能指标参数情况

1. 三维紧凑型光子晶体定向天线：谐振频率15.32 GHz，最大辐射增益20.73 dBi，孔径效率49.77%，半功率波束宽度8.9°和7.7°，定向辐射性能优异，可满足高精度通信和雷达系统对天线性能的严格要求。
2. 超紧凑型光子晶体耦合器：消光比42.4 dB，开关开启透射率92.05%，关闭透射率4.61%，开关性能显著，适用于高速光通信网络中的信号切换与控制，能够有效提升系统的传输效率和稳定性。
3. 非周期偏振无关介质全向高反膜：可见光范围内反射率超过99%，相对带宽39.8%，在85°高入射角下仍保持良好反射性能，可用于光学仪器、显示设备等领域的高精度光学涂层，提升光学系统的整体性能。
4. 颗粒三聚体耦合Mie共振的光学传感性质：ED??共振模式灵敏度比MD??和MD??模式高出约20倍，线性响应优异，可实现对环境变化的高灵敏度检测，适用于生物医学检测、环境监测等领域的高精度传感器开发。
5. 材料改性提升钙钛矿的发光量子效率，在新型显示器件和照明领域具有广阔的应用前景，能够显著提升产品的发光效率和显示质量。 综上所述，本科技成果在技术成熟度、工艺完善度以及性能指标方面均具备良好的专利转化基础，可快速实现从实验室到市场的转化，为相关产业的技术升级和产品创新提供有力支撑。

（一）资金要求 研发资金：合作方需具备充足的资金用于产品的进一步研发和优化。 生产资金：为实现科技成果的产业化，合作方需投入合理生产资金，用于建设生产线、购置生产设备、招聘生产人员等，确保产品的规模化生产。 市场推广资金：合作方需预留资金用于市场推广和品牌建设。 （二）场地要求 研发场地：合作方需提供研发场地，具备良好的通风、照明、水电等基础设施，满足光子晶体结构设计、材料制备、性能测试等研发活动的需求。 生产场地：为实现规模化生产，合作方需提供生产场地，具备足够的空间用于设备安装、原材料存储、产品组装和包装等生产环节。场地应符合国家相关安全生产和环保标准，具备完善的消防设施和废弃物处理系统。 （三）设备要求 研发设备：合作方需具备先进的微纳加工设备，电子束曝光机、光刻机、等离子体刻蚀机等，用于光子晶体结构的高精度制造。同时，需配备高性能的光学测试设备，如矢量网络分析仪、光谱仪、光束质量分析仪等，用于产品的性能测试和质量控制。 生产设备：在生产环节，合作方需购置自动化生产设备，如光子晶体模板复制设备、材料涂覆设备、固化设备等，以提高生产效率和产品质量。此外，还需配备质量检测设备，如在线检测系统、抽检设备等，确保每一批次产品的性能符合标准。 （四）人员要求 研发团队：合作方需组建一支专业的研发团队，团队成员应具备光学、材料科学、微纳加工等相关专业的背景和经验。 生产团队：为实现规模化生产，合作方需招聘一支熟练的生产团队，包括生产管理人员、技术工人和质量检验人员。 市场团队：合作方需配备专业的市场团队，包括市场调研人员、销售人员和售后服务人员。

可国（境）内外转让

一、经济效益 （一）市场拓展与新增长点 本科技成果涉及的光子晶体定向天线、耦合器、高反膜、光学传感器以及发光材料等，均为当前光学与材料科学领域的前沿技术成果。这些成果的应用领域广泛，涵盖了通信、显示、传感、照明等多个行业。通过专利转化，可将这些先进技术快速推向市场，填补相关领域的技术空白，为合作企业带来全新的产品线和业务增长点。 （二）成本降低与竞争力提升 在生产环节，科技成果的转化将引入先进的生产工艺和材料制备技术。这将使合作企业在原材料采购、生产加工等方面更具成本优势，进而提高产品的市场竞争力。同时，高效的生产工艺能够缩短生产周期，提高生产效率，进一步降低单位产品的生产成本，为企业带来更高的利润空间。 （三）产业链延伸与协同发展 科技成果的转化将带动上下游产业链的协同发展。在上游，对光子晶体材料、钙钛矿原材料等的需求将促进相关供应商的技术升级和产能扩张；在下游，高性能的光学产品将为通信设备制造商、显示面板企业、传感器研发机构等提供更优质的核心部件，推动整个产业链向高端化、智能化方向发展。通过产业链的延伸和协同发展，合作企业将获得更广阔的市场空间和更多的商业机会，实现经济效益的倍增。 二、社会效益 （一）推动产业升级与创新发展 科技成果的转化将为相关产业注入新的活力，推动产业向高端化、智能化、绿色化方向升级。在通信领域，高效的光子晶体定向天线和耦合器将助力 5G 及未来 6G 通信技术的发展，提升通信网络的覆盖范围和传输速度，为数字经济的发展提供有力支撑；在显示领域，高发光量子效率的钙钛矿材料将推动新型显示技术的进步，使显示设备更加节能、环保、高清晰度，满足人们对高品质显示的需求。通过科技成果转化，将加速传统产业的技术改造和创新升级，提高产业整体竞争力，促进经济的高质量发展。 （二）促进就业与人才培养 科技成果转化项目的实施将创造大量的就业机会。从研发、生产到销售、售后服务等各个环节，都需要大量的专业人才和普通劳动力。同时，项目的实施也将为高校和科研机构提供实践基地，促进产学研合作，培养一批具有创新能力和实践经验的高素质人才。这些人才将成为推动产业发展的中坚力量，为社会的可持续发展提供人才保障。 （三）提升社会生活质量 科技成果的应用将直接改善人们的生活质量。高性能的光学传感器可用于环境监测、医疗诊断等领域，及时准确地检测环境中的污染物、人体的生理指标等，为人们的健康生活保驾护航；新型显示技术的应用将使人们享受到更加清晰、逼真的视觉体验，丰富人们的精神文化生活。此外，通过提升通信网络的性能，人们可以更便捷地获取信息、进行远程办公和在线教育，提高生活和工作效率，促进社会的和谐发展。 （四）增强国家科技实力与国际竞争力 在当前全球科技竞争日益激烈的背景下，本科技成果的转化将为我国在光学与材料科学领域增添新的技术优势。通过将先进的光子晶体技术和钙钛矿材料技术转化为实际生产力。这不仅有助于增强我国的科技实力和创新能力，还将推动我国从科技大国向科技强国迈进，为国家的长远发展奠定坚实的基础。 综上所述，本科技成果的转化预期将取得显著的经济社会效益。在经济效益方面，将为企业带来新的市场增长点，降低生产成本，提升产业链竞争力；在社会效益方面，将推动产业升级，促进就业与人才培养，提升社会生活质量，增强国家科技实力。通过科技成果转化，将实现科技成果与经济社会发展的深度融合，为我国的高质量发展注入强大动力。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

一、科技成果来源 本科技成果源于对光的衍射极限及亚波长尺度下光控制和操纵瓶颈问题的深入研究。为解决集成光学中的关键科学问题，开展了定向光学天线研究，旨在通过光子晶体阵列和外部激发装置，实现高效的光信号定向发射，提升光信号的控制和操纵能力。 二、技术原理 本成果提出并验证了光子带边阵列谐振天线的新概念。利用光子晶体阵列的能带特性和外部激发装置，借助光子带边的慢光效应，增强光与阵列的相互作用，提升共振强度，实现恒定0/π相移和横向自准直光辐射。通过精确设计和优化光学结构，采用空间观测技术测量天线的辐射特性，利用CST Studio Suite进行光学特性模拟，并通过实验验证传感器的性能，深入分析各结构的光学性能和物理机制。 三、关键性技术指标

1. 三维紧凑型光子晶体定向天线：在15.32 GHz的谐振频率下，天线的最大辐射增益达到20.73 dBi，孔径效率为49.77%，半功率波束宽度分别为8.9°和7.7°，展现出优异的定向辐射性能。
2. 超紧凑型光子晶体耦合器：消光比约为42.4 dB，开关的开启透射率为92.05%，关闭透射率为4.61%，表现出显著的开关性能。
3. 非周期偏振无关介质全向高反膜：在可见光范围内反射率超过99%，相对带宽达到39.8%，在85°的高入射角下仍能保持良好的反射性能。
4. 颗粒三聚体耦合Mie共振的光学传感性质：ED??共振模式的灵敏度比MD??和MD??模式高出约20倍，表现出优异的线性响应和高灵敏度。
5. 材料改性提升钙钛矿的发光量子效率。 四、应用前景 本研究成果成功开发了多种新型光学结构和材料，具有广泛的应用前景。在通信领域，三维紧凑型光子晶体定向天线和超紧凑型光子晶体耦合器可用于高性能光通信设备，提升信号传输效率和质量；在光学传感方面，颗粒三聚体耦合Mie共振的光学传感性质可用于高精度环境监测和生物医学检测；在显示技术领域，材料改性提升钙钛矿的发光量子效率的研究成果可推动新型显示器件的发展，提高显示性能和能效。此外，非周期偏振无关介质全向高反膜可用于光学涂层和光学元件，提升光学系统的性能和稳定性。这些成果不仅在理论上丰富了光子学和材料科学的理论框架，而且在实际应用中具有重要的指导意义，为解决集成光学中的关键科学问题提供了新的思路和方法，具有重要的理论与实践意义。