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人工光子带隙材料

人工光子带隙材料

1.光子晶体的PT性质

    PT对称性是量子力学中的重要概念。传统观点认为,系统只有在哈密顿量满足才可以有实本征值。但是,Bender等人在1983年证明,只要具有PT对称性,即便是非厄米系统也可以有实本征值。另一方面,由于量子力学中的波动方程与光学系统中的波动方程具有天生的相似性,人们在具有非厄米性质的光学系统(通过增益/衰减)中进一步展开了对PT对称性的研究。在PT破缺与PT对称的相中,可以观测到大量新奇有趣的物理性质。

单向无反射传输

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     在光学通讯和光子计算中,需要用到芯片上的非互易光传播器件,以达到隔离并稳定不同光学器件的目的。通过破坏PT对称性,我们设计并组装了一种金属-硅基波导,通过对其中光学势的调制,实现了硅基光子芯片中的非互易光传输。我们通过模拟和试验两种方式,对于1.55微米波长的光子论证了这种非互易现象,即单向无反射传输。我们的系统与传统金属氧化物半导体制造工艺完美兼容,提供了一种用于光子计算和光子通讯的芯片级光隔离器。

L. Feng et al, Science 333, 729 (2011)

http://science.sciencemag.org/content/333/6043/729

2.光子晶体的拓扑性质

     在电子系统中,与对称性紧密相关的“拓扑性质”在各个物理领域扮演着越来越重要的角色。作为能带的某种全局性质,拓扑性质经常可以带来很多新奇的物理效应。例如,对于破缺了时间反演对称性的系统,非0的陈数将会导致量子霍尔效应。另一方面,对于时间反演对称性保持的系统,非平庸的拓扑不变量(例如)帮助实现了量子自旋霍尔效应,以及拓扑绝缘体。由于固体物理学以及光子晶体物理学遵循同样的能带理论,上述奇妙的性质可以推广到光子晶体系统中去,进而实现非平庸的光子拓扑相。

时间反演破缺的光拓扑绝缘体

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0.1-1-2-2

    拓扑绝缘体(TI)的概念首先是在电子系统中提出并实现的,其具有体能带绝缘和边界态连续的特征,存在一对自旋锁定的单向传播边界态,其传播受时间反演对称性保护,具有鲁棒性。最近几年来,光子系统的拓扑性质也引起了人们的极大关注。众所周知,电子是自旋1/2的费米子,光子是自旋为1的玻色子,其时间反演算符(Tb2 = 1)与电子的时间反演算符(Tf2 = -1)具有本质区别,而电子拓扑绝缘体的出现与费米子时间反演导致的Kramers简并相关。类比于拓扑绝缘体,光子系统在不满足电子系统Kramers简并的条件下,是否具有受时间反演对称性(Tb)保护的边界态?这是一个带有根本性的问题。这篇论文就这个基本问题给出了一个答案:对光子,或者更一般地说是所有玻色系统中,其本身的时间反演对称性并不足以保证构成光拓扑绝缘体,也就是说,它不能够保证边界态的鲁棒性。但通过人工微结构光子晶体,能够构造一类新型“光拓扑绝缘体”,它以左旋光和右旋光为一对基,他们满足Tf算符类似的人工对称性(赝时间反演算符Tp),从而实现了Kramers简并和光拓扑绝缘体。

PT对称的磁电二极管

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铜衬底上的钇铁石榴石半圆柱阵列,用以实现晶格结构

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单向无反射传输(b)+10o情况下从左下角传播,(c)-10o从右上角传播

Phys. Rev. B 83, 075117 (2011)

http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.83.075117

单向可调十字形波导

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    不同外加磁场方向下,单通十字形分路器的时间平均能流图。红色和蓝色的箭头分别代表第二能隙和第三能隙中边界态的单通方向,符号+,-代表一对沿+z方向的外加磁场。

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    不同频率时下方出口的透射谱。单通十字形分路器模型中心无圆柱情况。其中,红色空心圆和蓝色实线分别代表耦合模理论和数值模拟结果。激发源位于左边入口,插图代表时间平均能流。

Phys. Rev. B 83, 075117 (2011)

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/96/11/10.1063/1.3358386

不同方向的单通边界态

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第二能带中狄拉克点附近的相位分析。下层和上层分别是YIG和氧化铝光子晶体。Ez在不同时间不同频率下的相位变化图,其中T是光学周期。

Phys. Rev. B 83, 075117 (2011)

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038109810005077

不同能带的单通边界态

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由YIG圆柱构成的四方磁光光子晶体的能带结构。其中(a)无外加磁场(b)外加1600GHz磁场。红色数字代表非零陈数。(c)YIG光子晶体和氧化铝光子晶体的投影能带图。其中蓝色和绿色区域分别代表YIG光子晶体和氧化铝光子晶体的投影能带。第二和第三能隙中红实线和绿虚线分别代表上(左)和下(右)边界的边界态。频率分别位于(d)第二能带(e)第三能带

Phys. Rev. B 83, 075117 (2011)

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/107/12/10.1063/1.3374470

单向隐身

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基于非互易光子晶体的正方形隐身的空间坐标变换。(a)变换前(b)变换后。

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频率0.51入射(a)+30度(b)-30度对应的单向隐身情况

Appl. Phys. Lett. 99, 151112-151112-3 (2011)

http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/99/15/10.1063/1.3648112

 

3 硅基光子器件
    集成电路按照摩尔定律发展了30多年,但由于量子临界效应和功耗问题,正在逐步逼近其物理极限。因而,探索新的信息载体的调控成为信息技术发展的重大课题,而其中光子调控是一个重要候选。近20年来,光子晶体、金属表面等离激元、超构材料等人工微结构材料的研究为人们操纵光子提供了新的材料、思路和机遇。而另一方面,为了使光子技术与传统硅基微电子工艺兼容,人们从应用角度提出了硅基光子学,为硅基光电集成提供了有力支撑。

3.1宽带广角线栅偏振器

    我们计算并设计了一种红外波段的金属介质-金属(MIM)线栅偏振器,在波长1.58微米之间其透射率高达85%并具有70dB的偏振消光比。此外,在入射角偏离80度角之内,光栅仍然保持较好的性能。MIM线栅在近红外波段支持磁极化子共振,在中红外波段则无共振现象,这有利于保持线栅偏振器高消光比、宽带、广角等优良性质。

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3.2高效芯片光纤垂直耦合器

    我们计算并设计了一种具有高效耦合效率的硅基光子芯片与光纤间的垂直耦合器。通过引入层间位移使得双层光栅能够起到类似45度反射镜的效果,从而实现完美的垂直耦合。我们的数值计算结果表明,在1550nm通讯波段,我们的器件耦合效率高达70%。与此同时,对于整个通信波段1530nm-1565nm,耦合效率都大于50%,背向反射都小于1%

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