基于光子晶体狄拉克局域化的新型空间光孤子

In this project, based on the Dirac localization of photonic crystal we develop a new type of optical soliton, the Dirac point soliton. We reveal its physical essence, explore its new principle, new characteristic, and new application. Light trapping within microcavities and waveguides is a key practice of modern optics, both scientifically and technologically. Wave localization due to the Dirac point within photonic crystal has been discovered by us recently. This localization relies on the Dirac point rather than the traditional wave guiding mechanisms to achieve field confinement. In this project nonlinear localized mode due to the Dirac point is investigated. This is a further development of the theory of the Dirac localization of photonic crystal from linear field to nonlinear field, concerning influence of nonlinearity on the Dirac localization. We solve various nonlinear model for scalar and vectorial Dirac point solitons with and without paraxial approximation, including fundamental solitons, vortex solitons, and solitons with PT symmetry. We also perform experimental verifications. We analyze existence condition and stability of these solitons, study their property, excitation, evolution, and interaction characteristics. We investigate influence of the Berry phase on stability of the vortex Dirac point solitons, and explore its values on preservation of orbital angular momentum of the vortex Dirac point solitons.

本项目开发一类基于光子晶体Dirac局域化的新型光孤子-Dirac光孤子，揭示其物理本质，探索其新原理、新特征、以及新应用。光场的局域化是现代光电子科学和技术上的关键问题之一。光子晶体Dirac局域化是我们最近提出的一种有别于全内反射和光子带隙等常规局域机制的新局域机理。本项目研究基于Dirac机理的非线性局域模式。这是将光子晶体Dirac局域化的理论进一步向纵向发展深化，从线性领域推进到非线性领域，研究非线性效应对Dirac局域化的影响。我们将分别在近轴近似和非近轴近似的条件下求解多种非线性模型支持的标量和矢量Dirac光孤子，包括基态和涡旋Dirac光孤子、PT对称Dirac光孤子等，并进行实验验证。我们将分析这些光孤子的存在条件和稳定性，研究它们的性能特性、激发演化和相互作用规律。我们还将探索Berry相位对涡旋Dirac光孤子稳定性的影响，发掘其在光学态轨道角动量保偏上的应用价值。

项目的背景：孤子是一种非线性的波动现象，从20世纪60年代以来获得了重大进展。光子晶体周期介质中，光的多重干涉和衍射导致了能带结构的产生，带隙内没有电磁波可被传输，是为光子禁带。在非线性的光子晶体周期介质中，入射光束照射部分介质的折射率因非线性效应而发生变化，形成强光诱导的缺陷。缺陷破坏了周期性，使得光可以传输，但禁带内的光场由于无法通过周围完好的周期介质逃逸出去，就被周围的带隙局限在自己创造的缺陷波导中传输。这种局域的光场模式就是周期介质中的光孤子。Dirac点可以像带隙一样产生光子禁带，抑制行波的产生和传输。随着光子Dirac局域化的发现，一种新型的光孤子被提了出来。.主要研究内容：本项目研究了基于光子晶体Dirac局域化的新型光孤子-Dirac光孤子，揭示了其物理本质，求解了多种非线性模型支持的标量和矢量Dirac光孤子，包括基态和涡旋Dirac光孤子、PT对称Dirac光孤子等，并进行了实验验证。分析了这些光孤子的存在条件和稳定性，研究了它们的性能特性、激发演化和相互作用规律。探索了Berry相位对涡旋Dirac光孤子稳定性的影响，发掘了其在光学态轨道角动量保偏上的应用价值。.重要结果、关键数据及其科学意义：发现了Dirac局域化的光量子Hall效应和拓扑光孤子。研究了Dirac局域化的贝里曲率和贝里联络，确定了其贝里相位并提取晶格能带的陈数，建立了Dirac光孤子能带的陈数理论，得到了国际上第一个具有非零陈数带隙的Dirac光孤子。由于受到拓扑保护，波导内的局域模式连通上下能带，连绵不断，代表Dirac光孤子受到瑕疵或波导转折的干扰也不会轻易消散。这种基于Dirac光孤子抗干扰能力强，从而避免了散射损耗和信号干扰。随着芯片变得越来越紧密，一个微小的瑕疵就能使光的传播变得毫无规律且无法预料。人们迫切需要新技术来阻止在光传输中各类瑕疵造成的散射，Dirac拓扑光孤子无视瑕疵的存在，可弥补传统光学器件尺寸大、信号质量差、传输损耗高等固有缺陷，实现高效的光学传输，在波长级别上操控光传输和光与物质相互作用。