部分无序光子晶体波导系统中安德森局域化的调控研究

The development of the cavity quantum electrodynamics based on Anderson localization of Photonic Crystal waveguide (PCW) with structure disorder is quite remarkable during these years. Modulation of PCW's disorder degree is a conventional way to control Anderson localized mode in such system and thus manipulate the interaction between strong localized light and matter. This project introduces a new way to control Anderson localized mode in PCW by side-coupled cavity. Based on a Green function formalism and finite-difference time domain method, we study how the property of the cavity affects Anderson localized mode in the PCW with structure disorder. We will find out the condition of strong interaction between cavity mode and Anderson localized mode and discuss the possibility of dynamically management based on Kerr nonlinearity. In our preliminary numerical experiment, we have found that the introduction of side-coupled cavity would have an effect on the localized mode near the band edge for PCW with certain type of structure disorder. This project is consisted of three parts: 1.derivation of the theoretical model by using Green function formalism and model check by finite-difference time domain method; 2. systematical investigation of the PCW with structure disorder and cavity coupled system by theoretical model and numerical experiment; 3.realization of dynamical management of Anderson localization by Kerr nonlinearity when the system does not enter the regime of chaotic dynamics. This project is crucial for understanding the mechanism of optical tunable Anderson localization. It would provide solution for the all-optical management of localization.

近几年，基于部分无序光子晶体波导中安德森局域化现象的量子纳米光学发展迅速。利用结构无序程度对波导中安德森局域化模式进行调控是该领域控制强局域光场与物质相互作用的常规方法。本项目提出通过侧耦合光子晶体微腔控制部分无序光子晶体波导安德森局域化模式的新方法，利用基于格林函数法的理论模型和时域有限差分数值实验研究侧耦合微腔参数对波导中安德森局域模式的影响，揭示微腔模式和安德森局域化模式发生强相互作用的条件，探讨基于Kerr非线性的光局域动态调控。通过预实验，我们已经证实在特定部分无序光子晶体波导中，侧耦合腔会影响带边局域化模式的分布。项目主要研究内容包括：1、通过格林函数方法建立理论模型及时域有限差分方法验证模型；2、利用理论模型和数值实验系统地研究微腔和无序波导耦合系统；3、基于Kerr非线性实现安德森局域化模式的动态控制。本课题对实现光控安德森局域化具有重要意义，能为光控光局域提供思路。

微腔与光子晶体波导侧耦合系统是典型的Fano共振系统，微腔支持的模式可以认为是产生Fano共振的离散态而波导支持的宽谱导波模式则可认为是连续态。我们基于格林函数法的理论模型和时域有限差分方法研究侧耦合微腔对波导中光传输特性的影响。通过增加侧耦合微腔的数目，从而令到系统支持两个Fano共振，可为系统的光传输控制增加一个调控的自由度。我们利用一个线性和一个非线性Fano共振之间的相互作用来实现系统可控的非互易性，并基于微腔的Kerr非线性响应来控制两个Fano共振之间的相互作用强度，从而实现对光信号单向传输特性的动态调控，所取得成果有望在集成光路中实现光二极管和光整流方面的功能；我们也研究了无序耦合石墨烯光子晶体波导中电磁波的传输特性，讨论了通过控制无序波导整列之间的耦合强度来控制电磁波传输的局域程度，并基于石墨烯波导的可控导电率来实现电磁波局域特性从离散衍射到安德森局域化传输的动态转换；基于前期在耦合谐振系统积累的经验，我们也研究了共振耦合纳米颗粒系统对入射激光偏振和波长的响应特性，讨论颗粒间的耦合强度对系统光吸收特性的影响，研究如果通过改变激励光源的条件或颗粒结构参数来调控这类系统的近场电磁能量热点分布，并基于所发现的光物理性质提出一些潜在的应用。我们还初步研究了无序共振耦合光学谐振系统中光吸收的调控机制，讨论无序微纳结构之间耦合强度对系统整体光学性质的影响，研究无序结构的单光子吸收和双光子吸收响应之间的差异，所取得成果有望指导激光与微纳物质相互作用过程中系统光吸收的调控。