在光子學(xué)領(lǐng)域,光波調(diào)控主要是指通過電光、聲光、磁光等效應(yīng)調(diào)節(jié)控制光場的偏振、頻率、空間分布以及色散變化。隨著微納技術(shù)的發(fā)展,利用微納光子器件調(diào)控光波已成為可能,相關(guān)研究在全光互聯(lián)、光通信、量子計(jì)算和量子通信等領(lǐng)域有極為重要的研究價(jià)值和實(shí)用意義。本論文分別以開放光子晶格和拓?fù)涔庾泳Ц駷檎{(diào)控平臺,結(jié)合量子力學(xué)、拓?fù)湮锢韺W(xué)與固體物理學(xué)理論,系統(tǒng)研究了非厄米作用及拓?fù)湫再|(zhì)對光波的空間分布和色散的調(diào)控機(jī)理,旨在探索實(shí)現(xiàn)光波調(diào)控的新理論,形成新的方法。具體研究內(nèi)容如下:第一章介紹了非厄米光子學(xué)和拓?fù)涔庾訉W(xué)的基本概念,描述了光波在兩類體系中相應(yīng)的典型現(xiàn)象。第二章以三層光子晶格為平臺,研究了采用宇稱-時(shí)間（parity-time）微擾法構(gòu)建非厄米光子晶格的規(guī)律,解析求解了主波導(dǎo)體系的有效哈密頓量,計(jì)算了體系的色散關(guān)系,探索了體系的模式分布規(guī)律,重點(diǎn)分析了該體系對光波的傳輸行為調(diào)控機(jī)制,發(fā)現(xiàn)了非對稱局域現(xiàn)象。研究結(jié)果為全光開關(guān)的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。第三章首先理論研究了通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)控光子晶格厄米性的規(guī)律,進(jìn)而基于量子力學(xué)與固體物理學(xué)理論構(gòu)建了該體系動力學(xué)方程,解析求解了體系的色散關(guān)系和光脈沖群速度分... 

【文章來源】：西北大學(xué)陜西省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：61 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

PT對稱體系中的折射率分布圖

西北大學(xué)碩士學(xué)位論文根據(jù)哈密頓量(1.14)可以得到PT對稱系統(tǒng)的本征值和本征函數(shù)為=12[±√(+2)(+2+)](1.15)|=±√(+2)(+2+)+2,1(1.16)只有當(dāng)==時(shí)，系統(tǒng)滿足PT對稱條件，本征能量譜(1.15)可以為實(shí)數(shù)。此時(shí)，本征值與本征函數(shù)的具體形式為=±√22(1.17)|=[±√22,1](1.18)圖1.2(a)和(b)展示了本征值(1.17)的實(shí)部和虛部與增益(損耗)和耦合系數(shù)(/)之間的關(guān)系�？梢钥闯觯�(dāng)/<1時(shí)，本征值為實(shí)數(shù)；當(dāng)/>1時(shí)，本征值的實(shí)部出現(xiàn)簡并，虛部開始出現(xiàn)。我們將/=1這一特殊位置稱為奇異點(diǎn)(exceptionalpoint,簡稱EP點(diǎn))[10,11]。在EP點(diǎn)之內(nèi)(/<1)，非厄米系統(tǒng)也可以存在實(shí)數(shù)能量譜，并且滿足能量守恒；在EP之外(/>1)，本征值退化為復(fù)數(shù)，此時(shí)該非厄米系統(tǒng)將不再滿足能量守恒，這種情況被稱為PT對稱破缺(PT-broken)。圖1.2(c)展示了光波在PT對稱系統(tǒng)以及PT對稱破缺系統(tǒng)中的傳輸規(guī)律。當(dāng)PT對稱未破缺時(shí)，光波在兩個波導(dǎo)之間耦合傳輸，能量分布與拉比振蕩類似；若PT對稱出現(xiàn)破缺，兩個波導(dǎo)之間的能量耦合被破壞，無論光波從哪個波導(dǎo)入射，能量都會被局域在增益波導(dǎo)之中。圖1.2(a)和(b)分別為本征值實(shí)部和虛部隨/的變化情況[12]。(c)光波在PT對稱以及PT對稱破缺系統(tǒng)中的傳輸圖[9]。4

第一章緒論1.2非厄米光子學(xué)的典型現(xiàn)象非厄米PT對稱在光學(xué)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，使得很多新穎的光學(xué)現(xiàn)象成為可能。本小節(jié)將簡單介紹幾種在PT對稱系統(tǒng)中出現(xiàn)的典型光學(xué)現(xiàn)象。1.2.1非對稱傳輸光學(xué)非對稱傳輸指的是前向光波與反向光波有著不同的動力學(xué)過程，它在光學(xué)計(jì)算、光信號處理方面有著重要應(yīng)用，其中最典型的非對稱器件就是光學(xué)二極管：能量只能沿著一個方向單向傳輸，而反方向入射光波會被介質(zhì)反射或是吸收。研究表明，可以通過許多方法來實(shí)現(xiàn)光波的非對稱傳輸,例如通過波導(dǎo)陣列幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[13]，非線性效應(yīng)[14,15]等。PT對稱在光子體系中的實(shí)現(xiàn)大大豐富了實(shí)現(xiàn)非對稱傳輸?shù)氖侄闻c方法。正如上文所說的，PT對稱中一個重要的概念便是EP點(diǎn)，在EP點(diǎn)附近還可以實(shí)現(xiàn)寬頻率范圍內(nèi)的一種特殊非對稱傳輸現(xiàn)象：單向隱身(unidirectionalinvisibility)。在如圖1.3(b)所示的PT對稱布拉格周期結(jié)構(gòu)中，當(dāng)系統(tǒng)處于EP點(diǎn)時(shí)一端的反射光波會被減弱，而從反方向入射則會得到較強(qiáng)的反射光[圖1.3(d1)，(d2)]，這是由于反射光多次相干疊加而導(dǎo)致。此外，這種單向隱身現(xiàn)象即使在克爾非線性效應(yīng)下也具有很強(qiáng)的魯棒性，并且可以有效地抑制光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象[16]。圖1.3典型的非對稱傳輸現(xiàn)象，(a)用于實(shí)現(xiàn)非對稱傳輸?shù)姆蔷�性光子晶格示意圖[14]，(b)PT對稱布拉格周期性結(jié)構(gòu)[16]，(c)光波在非線性光子晶格中的非對稱傳輸現(xiàn)象，(d)利用光纖環(huán)實(shí)現(xiàn)的單向隱身現(xiàn)象[17]。5


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