基于表面等离子体光学时间反演对称性破缺现象及物理机制研究

Breaking the time-reversal symmetry, nonreciprocal optical devices are indispensable components in integrated optical systems. Traditional nonreciprocal configurations based on magneto-optical or nonlinear effects have encountered problems which were hard to solve, when migrated to integrated optical systems. Meantime, surface plasmon (SP) are realized as ideal solution for high degree integrated optical system. It has been attracting more and more interests to achieve nonreciprocal optical devices basing on SP effects, and few related reports have been published. However, those reports included only simulating studies, without deep analysis on the physical mechanism and essence of time-reversal breaking induced by SP effect. .In this project, we will try to achieve compact and integratable nonreciprocal components based on SP effects. We also plan to theoretically explore the basic physical mechanism and essence of time-reversal induced by SP effect. Furthermore, we will propose an optimized SP effect assisting configuration of nonreciprocal device based on our theoretical results, which can work in broadband with low loss. By this project, we hope to finally reveal the basic mechanism of nonreciprocal optical behaviors, and to present a new choice for achieving integratable nonreciprocal optical devices with high-level performance. The work of this project will have great importance and many potential applications in integrated optical systems, and related sub-systems.

基于时间反演对称性破缺的非互易光子器件是集成光子系统中不可缺少的必要组件。传统基于磁光或非线性效应的实现方案在高度集成过程中面临难以解决的问题。另一方面，表面等离子体被视为实现高度集成光子系统理想方案。借助表面等离子体打破时间反演对称性，实现非互易光子传输，逐渐引起人们的研究兴趣，并已有少量报导。但这些研究并未解决如何实现宽带、低损耗的非互易光子传输问题，且多停留在理论仿真阶段，对表面等离子体在打破时间反演对称性中的作用本质和物理内涵并未深入探讨。.本项目拟基于表面等离子体实现结构简单、易于集成的非互易光子器件，并从理论上探究表面等离子体在时间反演对称性破缺中的作用本质和物理内涵。在此基础上，提出优化的非互易光子器件设计方案，实现宽带、低损耗的非互易光子传输。本研究将揭示光子非互易行为发生机制，为可集成非互易光子器件设计提供新思路。本项目对推动集成光子器件和子系统的发展和应用具有重要意义。

非互易光子器件是集成光子系统中不可缺少的必要组件。传统基于磁光或非线性效应的实现方案在高度集成过程中面临难以解决的问题。另一方面，金属表面等离子体被视为实现高度集成光子系统理想方案。因此，我们在本项目中研究了利用金属结构，在光子系统中实现光信号的不对称传输现象。研究中发现，利用金属光栅结构，涂覆于光介质基底形成双层的光栅结构，可以实现光信号的非对称传输。当光信号从不同方向垂直入射此双层光栅结构时，光信号的透过率在特定频率具有较大的不对称特征。而分析发现，这一不对称传输特性与光栅的一级衍射相关。而金属结构则与一级衍射光发生耦合效应，激发出不对称的表面等离子激元谐振，进而导致不对称传输的增强。另一方面，我们也研究了在波导结构中通过折射率的调制，来实现光信号传输时间反演对称的破缺。分析结果表明，波导内折射率的时空周期调制，能够使得波导内的光信号传输模式发生模间跃迁。我们根据分析结果，构建了一个双波导的非互易传输结构，并利用双波导中对称调制的相位跳变现象，实现了光信号的单向传输，并理论上和数值上分析了这一结构的非互易传输特性。在金属表面等离子特性以及光信号传输等方面，我们也做了一些相关方向的研究工作，如等离子共振感应现象，变换光学，光束传输等。截止目前，在这个项目的支持下，我们已经公开发表了科技文章9篇。