微纳尺度耦合波导中光机械孤子特性研究

In this project, we will study the dynamics of optomechanical solitons supported by a coupling micro/nano waveguide, whose effective refractive index is determined by the mechanical deformation induced by the force exerted by the input beam. Firstly, we design a coupling waveguide with suitable sizes to support higher-order, higher-dimensional optomechanical solitons; Secondly, we study the transverse gradient force, the deformation of waveguide induced by the optomechanical force, the distribution of effective index and the nonlinear modes in the waveguides. When the iterative calculation is self-consistency, we obtain the stationary solution of optomechanical solitons; Thirdly, we conduct the linear stability analysis on the soliton solutions and simulate their propagations to determine the existence conditions and stability domains; Fourthly, we explore how the parameters of waveguides, power of input beam, boundary conditions, and degree of nonlocal nonlinearity influence the existence conditions and stability domains of solitons, After the above works, we will screen out some waveguide settings in which stable higher-order solitons can exist. Finally, we generate the studies of classical nonlocal solitons into the studies of optomechanical solitons and find some unique properties. The expected results will remarkably promote the progress of nonlinear localized states on the micro/nano dimensions.

拟研究微纳尺度耦合波导受到光机械力作用后产生形变而导致的波导有效折射率变化所支持的光孤子的动力学行为。首先，以支持高阶、高维光机械孤子为总体目标，设计适当材料、尺寸的耦合波导结构，分析其色散关系；其次，计算输入光场对波导产生的横向梯度力密度，分析波导受力后产生的机械形变、由形变导致的有效折射率分布以及重新分布后的折射率所支持的光场非线性本征模。在上述各量自洽迭代稳定时，得出非局域光机械孤子丰富的稳态解结构；第三，对所得孤子解做线性稳定性分析，仿真模拟其传播行为，得出高阶、高维孤子稳定存在的参数空间；第四，综合研究波导结构参数、入射光场功率、波导边界条件、非局域程度等对光机械孤子的存在范围及稳定条件的影响，遴选出若干支持稳定高阶光机械孤子的耦合波导参数结构；最后，把传统非局域光孤子的大量研究成果类比借鉴到光机械孤子中研究中来。预期成果将极大地促进微纳尺度的非线性局域态的研究进展。

在国家自然科学基金资助支持下和项目组各位成员的共同努力下，我们对既定研究计划实施了较为复杂、繁琐的研究工作。对光机械孤子相关问题开展了的大量研究工作，解决了很多有意义的问题。主要研究进展包括如下几点：1) 设计出了若干类微纳尺寸的双波导结构；计算出其色散关系、本征模；2）计算出了线性情况下耦合波导之间的光机械力密度和波导形变；3）求解出若干种一维对称、反对称非局域光机械孤子，传播模拟发现了一些稳定的孤子；4）分析了边界条件对波导色散关系、孤子存在条件的影响，发现一些有意思的问题。此外我们也在与其密切相关的其他问题方面取得了系列研究成果。已在光学主流杂志Opt. Lett.发表论文3篇，Phys. Rev. A 发表2篇，Sci. Rep.和Opt. Express上各发表论文1篇，成功申请了两项国家发明专利。培养硕士研究生6名，其中四名已毕业。李春艳毕业后考入上海交大，现已入职西安电子科技大学，顾林林在学习阶段获国家奖学金。项目组成员参加了多次国际、国内学术会议，项目负责人主办了2015年全国光孤子学术研讨会。