光学动态调制波导阵列的耦合特性研究

Optical coupling in waveguide arrays is one of the most efficient ways to control the propagation of light on nanoscale. The modes in the waveguide arrays should experience transition and couple to each other when the refractive index of the waveguide is modulated optically. Due to the phase difference of the modulation and transition, the AB phase appears in the propagation loop of the modes. The AB phase should result in a gauge potential and effective magnetic gauge field. The effective magnetic field can break through the time-reversal symmetry and the mode coupling in the waveguide array should be of none-reciprocity and with topological properties. In this proposal, we shall investigate the new features of mode coupling in waveguide arrays subject to effective magnetic field induced by optically dynamic modulation and explore the mechanism of the influence of magnetic field on the mode coupling. We also shall develop a new technique to generate magnetic field in the waveguide arrays. Taking advantage of the wide spectrum of femtosecond pulse, we can obtain a very large modulation frequency that is able to yield effective magnetic field and thus control the coupling and propagation of modes at high frequency. The study will provide a new platform and technology for the research of topological photonics. It will also find great applications in building up active nanodevices such as optical isolators, circulators, all-optical switches without the use of magneto-optical effects.

光波导阵列耦合是纳米尺度下操控光子的有效途径之一。通过在波导阵列的不同区域进行折射率的光学动态调制，诱导波导模式之间发生跃迁，由于调制相位不同和跃迁不同步，导致模式传播路径上出现AB相位，产生实空间的规范势和等效磁规范场。在等效磁场作用下，时间反演对称性被打破，波导模式耦合过程具有非互易性和拓扑性。本项目将研究在光学动态调制产生的等效磁场作用下，光波导耦合呈现的新现象和新物理，揭示等效磁场对波导耦合的影响。同时，建立在波导阵列中产生等效磁场的新技术。利用飞秒脉冲激光的极宽频谱，将其直接作用于波导介质，有望极大提高波导折射率的调制频率，产生高效的等效磁场控制高频光子的耦合与传播。本项目研究将为拓扑光子学的发展提供新的平台和研究手段，在构建非磁性有源纳米光子器件，如隔离器、环形器以及全光开关等领域具有重要应用前景。

离散光学体系如波导阵列结构通过模式之间的相互耦合能够有效控制光的衍射，在波导上引入动态调制，使得波导的折射率随时间变化，波导模式经过非弹性散射导致其频率发生改变，不同频率的模式在调制驱动下能够相互跃迁。调节动态调制的相位，模式跃迁过程中就会产生几何相位，从而导致等效规范势的出现。离散体系中的等效规范势可产生等效电场和磁场，这为光子传输提供强有力的调控手段。本项目聚焦于动态调制波导的模式耦合特性研究，通过理论分析和实验论证，揭示了动态调制导致的等效规范势的性质及其产生的物理机制。利用等效规范势，控制在离散体系中不同模式之间的耦合过程，发现了离散光波模式的布洛赫振荡，完美成像、负折射、定向偏移等新现象和效应。利用空间波导阵列的动态调制，在同一结构中构建了不同类型的外尔点并可实现表面态的传输。在系统中引入增益和损耗，研究了离散体系的非厄米光学特性和拓扑光学特性。同时我们还提出了实现复规范势和复调制的方案，拓展了动态调制的技术手段。基于铌酸锂波导的射频信号调制，调制频率可以达到几十GHz。进一步利用非线性四波混频技术，调制频率可以达到100 GHz以上，在泵浦光之间引入调制相位差也能够产生等效规范势。此外，在测试平台的建设方面，为表征空间光场分布，完成了光诱导力显微镜的搭建和调试，空间分别率可达10 nm以下。本项目的研究结果揭示了光学动态调制在实现等效磁规范势和等效电磁场方面的作用，展示了等效规范势将对光波耦合的影响及相应的物理机制，在光子调控、新型光子器件和信息处理等领域有重要的应用前景。