拓扑光子相变机理及应用研究

发布时间：2023-04-16 17:35

　　光子晶体,作为一种具有带隙结构的人工晶体材料,由于其制备的器件具有响应速度快,体积小,集成度高,价格低廉等诸多优点,因此在光波导和光通信方面具有重要的价值。然而,其容易受到制造缺陷影响,使光波在传输的过程中发生强烈的后向散射,造成比较大的损耗。近年来,拓扑光子晶体中光波的传输特性及其应用研究受到许多科研工作者的青睐,究其原因,就在于存在受拓扑保护、免疫缺陷且能抑制后向散射的边缘态,使其在发展无损传播的光学系统、高效的光学器件等方面具有巨大的潜力和广阔的前景,从而突破常规光学元件性能受到背向反射和弯曲损耗的影响,难以进行大规模集成的限制。本论文基于光量子谷霍尔效应,通过破坏空间对称性提出了一种谷光子晶体(VPC),实现了拓扑相变。在此基础上,提出了受拓扑保护的马赫-曾德尔干涉仪(MZI)和折射率传感器两种光学器件,并对器件进行了设计、仿真与性能研究。主要研究内容如下:(1)通过破坏系统的空间反转对称性,提出了VPC的一种具体实现方法,并详细阐述了其实现拓扑相变的机理和过程。不同于传统的基于光量子霍尔效应的拓扑光子晶体,该VPC是在保持系统时间反演对称性的前提下使用常见的硅材料实现的,无需...

【文章页数】：66 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景和意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 光学量子霍尔效应
        1.2.2 光学量子自旋霍尔效应
        1.2.3 光学量子谷霍尔效应
    1.3 本论文的主要内容安排
第二章 基础理论
    2.1 光学仿真原理
        2.1.1 有限元法
        2.1.2 时域有限差分法
    2.2 光子晶体能带计算原理
        2.2.1 倒格矢空间
        2.2.2 平面波展开法
    2.3 数值仿真流程
    2.4 本章小结
第三章 谷光子晶体中的拓扑相变机理及拓扑现象
    3.1 基本概念
        3.1.1 贝里相位
        3.1.2 贝里联络
        3.1.3 贝里曲率
    3.2 谷拓扑相变
    3.3 谷光子晶体中的拓扑现象
    3.4 本章小结
第四章 拓扑保护的马赫-曾德尔干涉仪的设计
    4.1 研究背景
    4.2 结构设计
    4.3 仿真和性能分析
        4.3.1 透射率
        4.3.2 灵敏度、消光比和调制深度
        4.3.3 缺陷免疫性
    4.4 本章小结
第五章 拓扑保护的折射率传感器设计
    5.1 研究背景
    5.2 折射率传感原理
    5.3 结构设计
        5.3.1 基于波导结构的拓扑保护折射率传感器
        5.3.2 基于谐振腔耦合波导的拓扑保护折射率传感器
            5.3.2.1 灵敏度
            5.3.2.2 检测分辨率
            5.3.2.3 鲁棒性
    5.4 本章小结
第六章 全文总结与展望
    6.1 论文工作总结
    6.2 研究工作展望
致谢
参考文献
攻硕期间取得的研究成果



本文编号：3791560