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上海光機所提出可用于實現多路復用和動態路由的拓撲表面波光子體系

來源: 發布時間:2021-03-16【字體:

  近日,中國科學院上海光學精密機械研究所聯合英國伯明翰大學張霜教授團隊,從理論上研究了兩個拓撲非平庸光子體系之間的表面態,提出了特殊的表面波傳播模式,并且利用它設計了非互易性波導,通過改變磁場的強弱可以動態的改變表面波的傳播行為。相關結果發表于Laser & Photonics Reviews。

  拓撲光子學是一個前沿科學研究領域,拓撲體系的一個典型特征是存在無耗散模式的表面態,這種表面態能夠有效的繞過傳輸路徑上的障礙物,降低能量的損失,在低損耗集成芯片上有廣闊的應用前景。目前的研究對象主要集中在拓撲非平庸材料和空氣之間的表面態,本工作系統的研究兩個拓撲非平庸體系之間的表面態模式,展示了一種在三維結構中只能單向傳播的電磁波特殊模式。

  該工作團隊利用超材料構建了時間對稱性破缺和空間對稱性破缺的兩種體系,具體來說就是磁化等離子體和手性雙曲超材料。利用等效參數計算了兩個體系的哈密頓量、能帶結構、貝里曲率、陳數以及費米弧的分布。計算結果表明,雖然兩種體系可以有相似的費米面,但是拓撲屬性卻截然不同,因此兩者之間的表面態模式也極其特殊。和以往的表面態傳播形式在三維空間是可以雙向流動有所不同,這里,兩個表面態都被限制到半個K空間,并且能流方向是單向的,如圖1(d)和1(g)所示。利用這個性質,可以構建非互易性波導、多路復用、光開關和光隔離等裝置,通過合理的參數設置,該研究團隊使兩個表面態的傳播路徑重合,并且利用磁化等離子體中磁場強度的可調諧性,實現兩個模式之間的轉換,圖2為仿真結果,利用磁場控制電磁波傳輸路徑并且實現任意大小的分光比,為拓撲表面態的應用邁進了一步。

  本工作得到國家自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃、國家留學基金委的支持。

  原文鏈接

圖1 不同體系之間的費米面和費米弧分布以及對應的表面態傳播示意圖

圖2 (a)表面態的多路復用,(b-f)磁控動態表面態分束仿真結果


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