研究如何操控光子是當(dāng)前光學(xué)和光子學(xué)的重要課題,也是未來實現(xiàn)光學(xué)集成和光子芯片的重要基礎(chǔ)。目前光的操控主要依賴光子的固有自由度如幅度、頻率、相位、偏振和角動量等。近年來隨著凝聚態(tài)物理在拓撲學(xué)領(lǐng)域取得的重要進展,如發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應(yīng)、拓撲絕緣體和拓撲半金屬,拓撲自由度也開始受到更多的關(guān)注。由于拓撲反映的是體系的整體屬性,具有對細節(jié)不敏感和抗微擾的能力,因此將拓撲的概念應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng),能實現(xiàn)光的無擾動單向傳輸,這也是拓撲光子學(xué)研究的動機之一。當(dāng)前拓撲光子學(xué)的研究主要包括光學(xué)拓撲絕緣體、光學(xué)拓撲半金屬和光子規(guī)范場即光子等效電磁場:其中光學(xué)拓撲絕緣體和半金屬研究的是光子能帶的拓撲性質(zhì),而光子規(guī)范場是經(jīng)典電磁場的光學(xué)類比,起源于光場在實空間中獲得的類似電子在電磁場中的Aharonov-Bohm(AB)相位。由于AB相位反映了電子波函數(shù)的整體屬性,因此光子AB相位和規(guī)范場體現(xiàn)的是光子在實空間的拓撲性質(zhì)。又因為光子本身是中性粒子,不能像電子一樣與電磁場直接相互作用,光子等效規(guī)范場的構(gòu)建也為操控光的傳輸提供了全新的物理機制。除了操控光子在實空間中的傳輸,操控光子在其它空間的演化如頻率,時間,動量維度等也具有非常重要的意義。如在光通信和光信息處理等應(yīng)用場合,操控光的時頻演化往往比空間演化更為重要:特別是光的頻率,在線性時不變系統(tǒng)中保持改變。目前,改變光的頻率的方法是采用光學(xué)非線性效應(yīng)如和頻、差頻和四波混頻等等。由于光學(xué)非線性效應(yīng)存在轉(zhuǎn)換效率低,需要高的泵浦功率等方面的限制,因此找到替代非線性變頻的機制是亟待解決的問題。動態(tài)調(diào)制是一種改變光子頻率的新機制,通過在光學(xué)系統(tǒng)中引入折射率時間調(diào)制,能引起光子躍遷形成離散頻率維度,進一步通過控制光子躍遷過程中的AB相位可以構(gòu)建光子頻域規(guī)范勢和規(guī)范場,從而操控光子在頻率維度上的演化。另外,除了滿足應(yīng)用上頻譜操控的需求,光子的頻率維度也為驗證和實現(xiàn)光子的拓撲效應(yīng)提供了新的平臺,對理解光子在離散維度中的演化具有重要意義。針對以上問題,本文的工作從以下五個方面展開:(1)從理論上提出并從實驗上驗證了光子頻譜規(guī)范勢,并將其運用于光波頻率的離散衍射調(diào)控中。我們發(fā)現(xiàn)光學(xué)相位調(diào)制器中的折射率動態(tài)調(diào)制能引起光子躍遷并形成離散頻率晶格,其中調(diào)制相位能伴隨光子躍遷過程被光子獲得,等價于施加于頻率晶格中的光子規(guī)范勢,能引起頻率晶格的能帶平移,從而可以控制頻率的離散衍射。實驗中我們采用兩個具有不同調(diào)制相位的調(diào)制器級聯(lián),通過改變調(diào)制相位即光子規(guī)范勢,實現(xiàn)了頻率梳的偏移、展寬、任意折射,單個頻率的完美聚焦和任意頻譜的完美成像等效應(yīng)。該項研究為光譜操控提供了新的機制,在光通信,信息加密和信息處理中均有著潛在的應(yīng)用。(2)在理論上提出利用光學(xué)波導(dǎo)調(diào)制器實現(xiàn)光子頻域等效電場力的方案。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)制器中的光子躍遷存在動量失配時,會引起規(guī)范勢的線性變化,對應(yīng)于在頻率晶格中施加了一個恒定(直流)電場力;當(dāng)調(diào)制相位隨著波導(dǎo)傳播方向呈周期分布時,規(guī)范勢會發(fā)生周期變化,等價于在頻率晶格中施加了一個時諧(交流)電場力。通過合理組合直流和交流力,我們實現(xiàn)了頻域布洛赫振蕩、失諧布洛赫振蕩、布洛赫超振蕩等周期性振蕩效應(yīng)以及頻域定向傳輸和動態(tài)局域等非周期效應(yīng)。頻域等效力的構(gòu)建,不僅為模擬凝聚態(tài)物理中的電子動力學(xué)模擬提供了新的平臺,也為實現(xiàn)光子頻譜成像、頻譜搬移等頻譜操控提供新的途徑。(3)提出采用任意波形調(diào)制實現(xiàn)頻率晶格的能帶設(shè)計,從而控制頻率離散衍射的方案。通過將正弦調(diào)制信號推廣到任意周期調(diào)制信號,通過包含更多傅里葉調(diào)制諧波引入頻率晶格中的長程耦合,可以實現(xiàn)能帶形狀的任意設(shè)計達到控制頻率衍射的目的。我們采用了周期鋸齒波、三角波、半圓調(diào)制波,分別構(gòu)造了線性、雙線性和半圓形能帶,實現(xiàn)了頻率的單向、雙向和各向衍射。進一步考慮周期性頻譜入射下的頻率離散泰伯效應(yīng),并利用線性能帶將泰伯自成像入射周期推廣到任意整數(shù)。另外通過能帶設(shè)計可以任意控制頻域布洛赫振蕩的演化軌跡和實現(xiàn)頻譜自成像。這項研究極大地拓寬頻譜操控的功能,也為光波頻譜操控提供了更多應(yīng)用實例。(4)理論上提出了在二維磚墻型波導(dǎo)陣列中通過動態(tài)調(diào)制構(gòu)造頻率晶格從而形成三維等效晶格,并實現(xiàn)第一類和第二類外爾點的拓撲相變。我們通過將二維空間晶格和一維頻率晶格結(jié)合構(gòu)造出三維晶格,通過動態(tài)調(diào)制打破宇稱或時間反演對稱,實現(xiàn)了光學(xué)外爾點。進一步通過控制動態(tài)調(diào)制的幅度和相位,實現(xiàn)從第一類和第二類外爾點的拓撲相變。通過將波導(dǎo)陣列進行截斷,可以獲得了費米弧型光學(xué)表面態(tài),為光波在空間和頻率維度上的傳輸提供了新的途徑,也為實現(xiàn)光學(xué)拓撲態(tài)和拓撲相變提供了新的平臺。(5)提出在石墨烯波導(dǎo)中通過折射率或電導(dǎo)率動態(tài)調(diào)制,實現(xiàn)石墨烯表面等離激元的模式躍遷并應(yīng)用于模式轉(zhuǎn)換器和非互易光傳輸。首先研究了有限層石墨烯陣列中的等離激元本征超模,給出了任意層石墨烯波導(dǎo)耦合形成超模的機制,并發(fā)現(xiàn)了反相耦合超模具有最低傳播損耗和最強模場局域特性。進一步通過在雙層石墨烯波導(dǎo)中引入填充介質(zhì)的折射率動態(tài)調(diào)制或石墨烯表面電導(dǎo)率動態(tài)調(diào)制,引起對稱和反對稱超模的模式躍遷。利用模式躍遷我們實現(xiàn)了等離激元的非互易傳輸和具有任意轉(zhuǎn)換效率的模式轉(zhuǎn)換器。最后我們將石墨烯和介質(zhì)周期波導(dǎo)相結(jié)合,利用石墨烯引起的波導(dǎo)布洛赫模式的能帶平移實現(xiàn)了傳輸和衰減型布洛赫波的相互轉(zhuǎn)換,還利用石墨烯可調(diào)特性調(diào)控光學(xué)微腔的模式體積和諧振波長。動態(tài)調(diào)制石墨烯波導(dǎo)的提出,為實現(xiàn)亞波長非互易光子器件,模式轉(zhuǎn)換器,耦合器奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O572.31
【部分圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文一些只能取整數(shù)值的拓撲不變量來表征：該拓撲不變量為虧格 g，表示幾何體的封表面上洞的個數(shù)，滿足積分表達式[20]12(1 )2 Sg KdS (1-1其中 K 代表封閉曲上每個點的高斯曲率，定義為 K = κ1κ2，κ1,κ2是曲面上該點的主率。比如球體，每個點的高斯曲率均為 K = 1/R2，R 為球的半徑，對應(yīng)的虧格為 g = 代表球的表面洞的個數(shù)為 0。圖 1-1(a)表示虧格為 g = 0, 1, 2, 3 的 4 類拓撲不等價的何體；而對于虧格相同的幾何體，如 g = 0 的球和碗，則是拓撲等價的。

6圖 1-2 (a)普通絕緣體中電子運動示意圖[9]。(b)普通絕緣體的能帶示意圖，在價帶和導(dǎo)帶之間有禁帶存在。(c)普通絕緣體的能帶的拓撲不變量為 0，類似于虧格為 0 的幾何體。(d)量子霍爾效應(yīng)體系中電子在磁場中運動示意圖。(e)電子在磁場中形成的朗道能級。(f)量子霍爾效應(yīng)體系能帶的拓撲不變量為 1，類似于虧格為 1 的幾何體。(g)普通絕緣體和量子霍爾效應(yīng)體系的分界面，在該界面上有單向傳輸?shù)膶?dǎo)電邊界態(tài)。(h)拓撲邊界態(tài)對應(yīng)的貫穿于導(dǎo)帶和價帶的能帶示意圖。量子霍爾效應(yīng)最早是在電子體系中觀測到的。隨著光子晶體和光學(xué)納米技術(shù)人們通過在旋磁光子晶體中外加恒定磁場，在光學(xué)體系中也實現(xiàn)了拓撲保護界態(tài)，從而模擬了量子霍爾效應(yīng)[24]-[25]。2009 年 MIT 的 Wang 等人在實驗上用旋磁光子晶體在外加恒定磁場下可實現(xiàn)拓撲保護的單向光學(xué)邊界態(tài)。如圖，在微波波段給旋磁材料構(gòu)成的二維光子晶體施加一個垂直于平面的恒定于二維電子氣處于均勻的強磁場中，對應(yīng)的光子晶體的能帶是拓撲非平庸

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文拓撲不變量非 0，對應(yīng)著光子晶體界面上有單向傳輸?shù)碾姶胚吔鐟B(tài)。實驗中通過從測量從 A(B)到 B(A)的能量透過率，可以驗證邊界態(tài)的單向傳輸特性：如圖 1-3(b)所示從 A 到 B 有很高的能量通過率，而從 B 到 A 能量透過率很低，從而證實了電磁邊界態(tài)的單向傳輸特性。圖 1-3(c)-(e)進一步說明了電磁邊界態(tài)的抗散射的能力：(c)圖為無散射體的邊界態(tài)傳輸?shù)哪龇植迹瑘D(d)是在邊界上插入一個金屬條的模場分布，通過對比可以看出，邊界態(tài)可以繞過金屬條散射體，實現(xiàn)單向無反射傳輸。圖(e)表示從激發(fā)的模場分布，進一步驗證了邊界態(tài)的單向傳輸特性。
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本文編號：2847841