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光子拓扑绝缘体：超快激光直写加工与应用

中国激光 2024年

作者：楼旻晗谭德志之江实验室浙江大学材料科学与工程学院

受凝聚态拓扑相的启发，光子晶体能带拓扑概念给光子调控和鲁棒输运提供了新的思路，并在近年来发展出了独特的拓扑光子体系。随着微纳加工技术不断成熟，拓扑光子体系凭借着丰富的操控手段和干净的能带，成为拓扑模型研究的重要平台。... 详细信息

受凝聚态拓扑相的启发，光子晶体能带拓扑概念给光子调控和鲁棒输运提供了新的思路，并在近年来发展出了独特的拓扑光子体系。随着微纳加工技术不断成熟，拓扑光子体系凭借着丰富的操控手段和干净的能带，成为拓扑模型研究的重要平台。其中超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。本文通过经典的拓扑结构如一维二元复式晶格，非对角Aubry-André-Harper晶格，蜂窝晶格，来阐述拓扑光学的基本原理和现象如Thouless泵浦，手性边缘态，局域态与拓扑不变量之间的关系，介绍最新的拓扑光子学进展与应用如高阶拓扑绝缘体，Floquet拓扑绝缘体，非厄米拓扑，非线性拓扑，以及量子拓扑保护。本文重点综述在超快激光直写平台下实现这些拓扑现象与应用。

关键词：光子拓扑绝缘体超快激光直写 Floquet光子拓扑绝缘体非厄米拓扑非线性拓扑光子芯片

光子拓扑绝缘体：超快激光直写加工与应用（特邀）

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中国激光 2024年第4期 207-222页

作者：楼旻晗谭德志之江实验室浙江大学材料科学与工程学院

超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构，从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。通过经典的拓扑结构（如一维二元复式晶格、非对角Aubry-André-Harper晶格、蜂窝晶格），阐述拓扑光学的基本原理和现象（如Thoules... 详细信息

超快激光直写技术可以高精度加工任意三维波导结构，从而实现新型拓扑模型以及集成化的拓扑光子器件。通过经典的拓扑结构（如一维二元复式晶格、非对角Aubry-André-Harper晶格、蜂窝晶格），阐述拓扑光学的基本原理和现象（如Thouless泵浦，手性边缘态、局域态与拓扑不变量之间的关系），介绍最新的拓扑光子学进展与应用（如高阶拓扑绝缘体、Floquet拓扑绝缘体、非厄米拓扑、非线性拓扑，以及量子拓扑保护），重点综述在超快激光直写平台下实现的拓扑现象与应用。

关键词：激光光学光子拓扑绝缘体超快激光直写 Floquet光子拓扑绝缘体非厄米拓扑非线性拓扑光子芯片

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太赫兹光子拓扑绝缘体研究

太赫兹光子拓扑绝缘体研究

作者：李会昌南昌大学

学位级别：硕士

随着科学研究的不断突破,Sixth-Generation(6G)时代即将到来,太赫兹(Terahertz,THz)波段是国际上预测的下一代高速无线通信的关键。制备THz波导芯片时,需要将大量光学器件高度集成到波导芯片上,器件的稳健性决定了波导芯片整体的可靠性... 详细信息

随着科学研究的不断突破,Sixth-Generation(6G)时代即将到来,太赫兹(Terahertz,THz)波段是国际上预测的下一代高速无线通信的关键。制备THz波导芯片时,需要将大量光学器件高度集成到波导芯片上,器件的稳健性决定了波导芯片整体的可靠性和制造成本。近年来,研究者们发现,稳健性与凝聚态中的拓扑这一新兴领域紧密相连,因此,光子拓扑绝缘体的研究正受到广泛关注。光子拓扑绝缘体的优异特性得益于其类似经典凝聚态中电子拓扑系统的拓扑相变,拓扑相变的关键在于通过打破时间反转对称性或反转对称性,进而破缺简并点出现能带反转,这可以实现在光学系统中模拟量子谷霍尔效应。另外,光子是具有有限寿命的非守恒粒子,在光学器件中,光子会受到各种非平衡过程的影响,从介质材料的增益和吸收,到由开放系统的能量交互和破坏拓扑保护的缺陷引起的辐射损失,实际的光学系统一般是非厄米系统。研究谷霍尔类似和非厄米光学系统对THz波导器件的实际应用具有重大意义。本文内容围绕THz波段的波导器件展开研究,通过理论分析与数值仿真相结合的方法研究了THz波段谷霍尔类似和非厄米光子拓扑绝缘体的拓扑性质。主要研究内容如下:1、设计了一个基于开口环旋转破缺C对称性的谷霍尔类似光子拓扑晶体,其原胞由类Kagome晶格排布的三个可旋转开口环组成,以两种方式旋转开口环均可实现模型从C 对称到C对称的破缺,在破缺C对称后,狄拉克简并点打开并出现两能带反转和三能带反转,此外,不同拓扑相的谷霍尔类似结构可构造不同谷投影的拓扑界面态,在入射到背景材料中时出现正折射和负折射现象,通过相位匹配条件计算得到在0.102THz时负折射角度为-75.8°,并具备抑制背向散射传输和克服缺陷传输的强鲁棒性。2、提出了非厄米光子拓扑绝缘体和伪Parity-Time(PT)对称畴壁系统概念。本文中通过考虑凝聚态模型中非零的位能虚部来实现非厄米因子的引入,从最简单的一维Su–Schrieffer–Heeger(SSH)模型引入非厄米概念,然后探讨了二维情况下蜂窝格子和Benalcazar-Bernevig-Hughes(BBH)模型的非厄米拓扑,并提出了一个基于非厄米系统的伪PT对称畴壁系统概念,该畴壁系统中存在可被准确预测的“实值”边界态。

关键词：太赫兹光子拓扑绝缘体拓扑相变拓扑折射非厄米拓扑

电路QED晶格及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体研究进展

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科学通报 2020年第12期65卷 1076-1092页

作者：祁鲁闫瑜王洪福哈尔滨工业大学物理学院哈尔滨150001 延边大学理学院物理系延吉133002

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态.与传统绝缘体类似,拓扑绝缘体也具有体能隙以及绝缘的体态.不同之处在于,拓扑绝缘体的表面或边界处存在导电的边界态.这些特殊的边界态受拓扑保护,因此对局域的无序和微扰免疫.这些特性使得拓扑绝缘体... 详细信息

拓扑绝缘体是一种新的量子物质态.与传统绝缘体类似,拓扑绝缘体也具有体能隙以及绝缘的体态.不同之处在于,拓扑绝缘体的表面或边界处存在导电的边界态.这些特殊的边界态受拓扑保护,因此对局域的无序和微扰免疫.这些特性使得拓扑绝缘体在量子信息处理和量子计算等方面有着重要的潜在应用.基于此,本文对拓扑绝缘体的发展进行大致梳理,并且对电路QED晶格以及光力阵列系统中光子拓扑绝缘体的最新研究进展进行概括和总结.

关键词：光子拓扑绝缘体电路QED晶格光力阵列系统拓扑量子计算

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狄拉克光子晶体在面发射激光器中的应用

光电子．激光 2022年第3期33卷 230-240页

作者：李儒颂田思聪中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及其应用国家重点实验室吉林长春130033 中国科学院大学材料科学与光电研究中心北京100049 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190

光子晶体由于具有可设计、可调谐以及对光的超常调控等优异性能,近年已成为重要的光学拓扑态研究平台。狄拉克(Dirac)锥型线性色散的奇异特性可实现丰富的物理现象,诸如Dirac振荡、拓扑边缘态、零折射率等,更是凝聚态拓扑现象的物理根... 详细信息

光子晶体由于具有可设计、可调谐以及对光的超常调控等优异性能,近年已成为重要的光学拓扑态研究平台。狄拉克(Dirac)锥型线性色散的奇异特性可实现丰富的物理现象,诸如Dirac振荡、拓扑边缘态、零折射率等,更是凝聚态拓扑现象的物理根源。本文重点对近年Dirac光子晶体在面发射激光器中的应用进行了详细介绍,指出将Dirac光子晶体引入到半导体激光器中,可实现大面积超低阈值、高亮度、单纵模和单横模的拓扑腔面发射激光器(topological cavity surface emitting lasers,TCSELs),同时对基于Dirac光子晶体原理发展出的TCSELs进行了总结与展望。

关键词：光子晶体狄拉克锥拓扑态光子拓扑绝缘体面发射激光器

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拓扑光子晶体的结构和主动调控特性研究及功能波导设计

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拓扑光子晶体的结构和主动调控特性研究及功能波导设计

作者：钱佳乐南京理工大学

学位级别：硕士

在过去十年里,光子拓扑绝缘体已成为了拓扑物理学和微纳光学领域的研究热点之一。光子拓扑绝缘体中的边界态具有单向传输特性,并且对杂质、缺陷、无序等表现出很强的鲁棒性,在集成光子器件和光通信领域具有重要的应用价值,而高阶拓扑光... 详细信息

在过去十年里,光子拓扑绝缘体已成为了拓扑物理学和微纳光学领域的研究热点之一。光子拓扑绝缘体中的边界态具有单向传输特性,并且对杂质、缺陷、无序等表现出很强的鲁棒性,在集成光子器件和光通信领域具有重要的应用价值,而高阶拓扑光子晶体中的角态突破了体边对应原则,具有很强的局域性,可被用来设计拓扑激光器。近年来,为满足光子器件集成和多功能器件的应用需求,可调谐拓扑光子晶体成为了新的发展方向。在此背景下,本文以高阶拓扑光子晶体为主要研究对象,开展拓扑态的结构和主动调控特性研究以及功能波导设计,主要研究内容和成果如下:（1）提出了含介质环单元的kagome晶格拓扑光子晶体模型并研究了介质环单元结构变化对拓扑态的调控特性。研究发现,通过改变介质环的内外半径可实现对Ⅰ型、Ⅱ型拓扑角态以及拓扑边界态工作频率的调节,当介质环的内外半径近似满足线性函数时,可以使得拓扑角态和拓扑边界态的工作频率稳定在某些特定值附近。与此同时,当介质环的外径固定,内径在较大范围内变化时,可以使得拓扑角态和拓扑边界态的工作频率产生较大范围内的近似线性变化。（2）基于电光调谐材料BaTiO提出了kagome晶格和正方晶格可调谐拓扑光子晶体模型并研究了它们的可重构拓扑态特性。研究发现,通过改变BaTiO的折射率可以实现kagome晶格拓扑光子晶体中Ⅰ型角态、Ⅱ型角态和拓扑边界态在光通信频段的共频切换,以及正方晶格拓扑光子晶体中拓扑角态和边界态在光通信频段的共频切换。这些可重构拓扑态具有较大的结构参数以及BaTiO折射率动态调节范围,并且表现出很好的鲁棒性。本文所设计的拓扑光子晶体具有结构紧凑、可调谐性优异、鲁棒性能良好等特点,在集成光通信、微纳激光工程以及光量子计算等领域具有潜在的应用价值。

关键词：光子晶体光子拓扑绝缘体角态边界态结构调控主动调控 kagome晶格

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超材料中的界面电磁波特性研究

超材料中的界面电磁波特性研究

作者：常杰大连海事大学

学位级别：硕士

调控导行电磁波的传输方向是一项重要的技术,在电子和光学器件设计中具有极大的研究价值。根据自旋动量锁定(Spin-momentum Locking,SML)的机理,近场源的手性可以打破镜像对称性,从而决定能量的传输方向。虽然SML理论已经成熟,但是单向... 详细信息

调控导行电磁波的传输方向是一项重要的技术,在电子和光学器件设计中具有极大的研究价值。根据自旋动量锁定(Spin-momentum Locking,SML)的机理,近场源的手性可以打破镜像对称性,从而决定能量的传输方向。虽然SML理论已经成熟,但是单向传输的实验设计具有挑战性。论文基于SML理论,利用电磁超材料设计了类表面等离子(Spoof Surface Plasmons,SSPs)、线波(Line Waves,LWs)和光子拓扑绝缘体(Photonic Topological Insulators,PTIs)三种界面波导;然后通过设计与组装手性点源,在微波频段实现了界面电磁波的单向激发。本论文的主要研究内容如下:(1)实现了SSPs的单向激发。设计了一款平面SSPs传输线,该结构由两种截止频率不同的周期锯齿结构组成,分别用于支持SSPs的传输以及抑制SSPs的绕射。在周期锯齿结构的开路终端加载电阻,实现理想的匹配端口。研制了圆极化点源,并搭建了一套近场扫描设备,准确探测了电场分布,对平面结构和柔性共形结构都进行了实验验证。实验结果表明,圆极化点源能够激发SSPs的单向传输,且点源的左右旋手性决定了SSPs的传输方向。(2)实现了LWs的单向激发。研究了等效阻抗表面的特性,通过分析横电模式和横磁模式两种表面波传输色散提取了容性和感性等效表面阻抗,栅格结构实现了感性等效表面,阵列贴片实现了容性等效表面。在此基础上拼接容性和感性超表面构造了LWs波导。设计并安装了圆极化点源,对单层阻抗表面和双层互补阻抗表面中LWs的单向激发进行了仿真,并进行了相关实验验证。(3)实现了介质PTIs的单向激发,并提出了一种紧凑的超表面PTIs波导。首先,计算了光子能带和场分布,并设计了两种谷拓扑界面导波;接着,使用轨道角动量点源对PTIs的单向激发进行仿真和实验测试,分析不同阶数的轨道角动量的激发效果表明:只有特定阶数的轨道角动量源可以激发理想的单向传输。针对超表面PTIs波导,首先根据等效紧束缚模型进行了能带拓扑特性的分析;然后,基于三角形互补单元结构,研制了两种超表面界面波导,通过软件仿真和近场测试验证了超表面中PTIs界面模式的存在。

关键词：类表面等离子传输线等效阻抗表面线波光子拓扑绝缘体自旋动量锁定