相位动态调制型光子晶格中光传输现象研究

摘要

光波传输一直以来都是光学领域的重要课题之一，对其研究将为集成光子器件的研发与设计提供重要的指导，在光信息处理和量子信息领域具有重要的应用价值。本论文在光子晶格中引入相位的动态调制，基于光子的Aharonov-Bohm(A-B)效应实现了光子的有效磁场，光子在相位动态调制型光子晶格中的动力学规律类似于电子受洛伦兹场的作用。通过在三层结构的四方晶格阵列和含缺陷型光子晶格中引入相位动态调制，成功构建出具有人造磁场作用的晶格物理模型，研究发现了相位动态调制型光子晶格中光子的A-B捕获效应和二维非互易传输现象。我们的工作为在光子晶格中更好的调控光波提供了新的思路和方法，并为发展利用人造磁场控制其他中性粒子的研究奠定了基础。本论文主要研究了以下内容:
　　第一章阐述了相位动态调制型光子晶格中有效磁场的产生机制，介绍了光子的A-B效应和有效磁场中的典型光学现象。
　　第二章首先介绍了离散光学系统中的耦合模理论和平面波展开法。基于以上光传输理论，在三层结构的四方晶格阵列中通过对最近邻格点间的有效耦合系数引入动态调制的相位因子，实现了光子的A-B效应，推导出光传输的动力学方程，并利用平面波展开法求解并分析了晶格结构的色散曲线，最后数值模拟了光波在晶格阵列中的传输现象。研究发现当存在磁矢量相位因子时，在三层结构的四方晶格阵列中可实现光波的线性局域，即实现了光子的A-B捕获效应。
　　第三章理论研究了含缺陷的相位动态调制型光子晶格中的光传输机制。首先在周期性二层晶格中引入第三层晶格—缺陷，通过在缺陷晶格点与最近邻晶格点间引入相位的动态调制，即在有效耦合系数中引入磁矢量相位因子，得到矢量磁环流，从而实现了光子的有效磁场，并讨论了晶格场中的光场模式，以及光波传输时的透过率和反射率，最后数值模拟出晶格场中的光能量分布。研究发现在含缺陷的相位动态调制型光子晶格中当缺陷晶格点无损耗时可实现最佳的二维非互易光传输。
　　第四章是对本论文所做工作的总结和展望。总结了论文中的主要工作和创新点，指出一些需要改进的地方，以及对后续工作的进一步展开提出意见和建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光子的有效磁场

1．2 光子学Aharonov-Bohm(A-B)效应

1．3 光子学有效磁场中的典型光学现象

1．3．1 光学霍夫斯塔特蝴蝶谱

1．3．2 有效规范场中的负折射

1．3．3 光学拓扑绝缘体

1．4 本论文的主要研究内容

第二章 相位动态调制型四方晶格阵列中的光传输研究

2．1．1 光子晶格中的耦合模理论

2．1．2 光子晶格中的平面波展开法

2．2 三层结构的四方晶格阵列中的光波理论研究

2．2．1 动力学理论研究

2．2．2 色散关系研究

2．3 三层结构的四方晶格阵列中光子的A-B捕获效应

2．3．1 光子A-B捕获效应的数值模拟研究

2．3．2 可行性实验研究方案

2．4 本章小结

第三章 含缺陷的相位动态调制型光子晶格中的光传输研究

3．1 含缺陷光子晶格中的光波理论和模拟研究

3．1．1 动力学理论研究

3．1．2 光场模式的模拟研究

3．2 含缺陷光子晶格中的二维非互易传输现象

3．2．1 二维非互易传输现象的理论研究

3．2．2 二维非互易传输现象的数值模拟研究

3．2．3 可行性实验研究方案

3．3 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 本文总结

4．2 本文的创新点

4．3 对未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果