线性各向同性介质实现单向光传输的理论与实验研究

Unidirectional transmission, functionally similar to electrical diodes, means nearly 100% transmission is allowed for light propagating along one direction and 0% transmission is allowed along the opposite direction within the same propagation channel. It is of great importance in optical interconnect, optical communications and sensing systems. The unidirectional optical transmission devices based on magneto-optical media and nonlinear media need external magnetic fields and high-power signal light or control light, respectively. So, in the project we will study unidirectional optical transmission realized by linear and isotropic media. On the basis of preliminary studies, we propose a new idea to construct unidirectional optical transmission devices, which is to cascades a nanostructure as a mode selector with another nanostructure as mode converter. Based on this idea, using silicon subwavelength gratings as polarizers and polarization converters of spatial light, using one-dimensional photonic crystals as mode selectors of nanowire waveguides, and using cross-section asymmetric nanostructure waveguides as mode converters of nanowire waveguides, we will design one-way films for spatial light in optical communication band based on silicon gratings and unidirectional optical transmission devices on silicon nanowire waveguides, and demonstrate them experimentally. The unidirectional optical transmission devices proposed in the project are ultra compact, compatible with current CMOS technology. Though they are not optical isolators, they can manipulate non-reciprocally the modes of spatial light and nanowires waveguide, and are potential components for optical film and integrated optical circuit.

类似电二极管，单向光传输是在同一传输通道中，光的正向传输率接近1而反向传输率近似为零的奇异光传输现象，在光互连、光通讯和光传感系统中有着重大的应用价值。由于基于磁光介质和非线性介质的单向光传输器分别需要外加磁场和输入强的信号或控制光，本项目拟开展线性各向同性介质实现单向光传输的理论与实验研究。在前期研究的基础上，我们提出级联具有模式选择和模式转换功能的不同纳米结构,构造单向光传输器的新思路；按此思路，利用亚波长硅光栅对空间光偏振和传播方向的选择与转换功能，一维光子晶体和截面非对称纳米结构对纳米线波导的模式选择与转换功能，开展光通讯波段基于硅光栅的单向光传输薄膜和基于硅纳米线波导单向光传输器的结构设计，并制备相应样品，实验验证其性能。本项目研究的单向光传输器件具有体积小、制备工艺CMOS兼容的优势，虽不具有光隔离性能，但可以非互易地操控空间光和纳米线波导模式，有望用于光学薄膜和集成光路中。

面向光通讯和片上光互连对光束偏振和模式控制的需要，本项目主要开展了光通讯波段线性各向同性介质实现单向光传输的理论和实验研究。不违背光的互易原理，单向光传输只能通过单向模式转换实现。对空间光，我们提出了单层平面手性结构的圆偏振光单向传输薄膜。由于薄膜中光的多摸干涉，右（左）旋圆偏振光只能从一个方向通过该单向膜，变成左（右）旋圆偏振光透射；反向入射时，被全反射为同手性圆偏振光。因此，该单向膜也是第一个平面手性结构圆偏振片。与已报导的三维手性结构圆偏振片，它可以通过单步刻蚀制备，具有显著的制备和片上集成优势。对片上传输光，我们提出了沿光传输方向级联非对称波导与其镜面对称结构，构建小尺寸、宽带波导模式转换器的新方法。采用级联的槽波导和L-型波导，分别设计了已有报导中尺寸最小的宽带全硅波导模阶转换器和偏振旋转器。同时，我们提出了一个构建硅波导单向光传输器或是单向波导模式转换器的通用方法，即级联硅波导模式转换器和具有模式选择功能的一维光子晶体波导。目前，能用现有半导体工艺制备的硅光子学器件有望在片上光互连和光信息处理领域扮演重要的角色。作为基本的硅光子器件，我们设计的小尺寸硅波导（单向）模式转换器在集成光路中具有很好的应用前景。此外，我们还合作开展了基于几何超表面和人工蜂窝结构中赝自旋的研究，其中参与提出的利用输出光不同圆偏振态和波长进行的多重非线性光全息，可能为高维光存储、光学防伪和光学编码等提供一个新的思路。