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基于腔光力系统的量子非互易性的研究进展

北京工业大学学报 2023年第6期49卷 717-728页

作者：秦立国吴欣宇邢芬芬田立君上海工程技术大学数理与统计学院上海201600 上海大学物理系上海200444

综述了基于腔光力系统的量子非互易性的研究进展,包括腔光力系统的简介以及其中的非互易性的概念和应用.将目前腔光力系统中非互易性传输的研究分为2类:一类是同一频率域内的非互易性传输,如2个不同光学频率间的光子传输;另一类是跨频... 详细信息

综述了基于腔光力系统的量子非互易性的研究进展,包括腔光力系统的简介以及其中的非互易性的概念和应用.将目前腔光力系统中非互易性传输的研究分为2类:一类是同一频率域内的非互易性传输,如2个不同光学频率间的光子传输;另一类是跨频率域的非互易性传输,如光学频率光子和微波频率光子间传输.此外,讨论了基于腔光力的非互易性器件,如隔离器、定向放大器、环行器和路由器等.最后,对基于腔光力系统的非互易性在量子信息领域中应用的前景做了展望.

关键词：腔光力学非互易性量子干涉光学频率微波频率量子信息

无磁性光子晶体非互易性滤波器结构的设计与研究

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无磁性光子晶体非互易性滤波器结构的设计与研究

作者：徐聪南京邮电大学

学位级别：硕士

在光通信系统中,为了使光学系统的稳定性得到保证,避免反射光对系统中器件工作的影响,设置非互易性传输的光器件是非常必要的。与传统滤波器相比,光子晶体滤波器具有尺寸小、能耗低、易于集成等特点,因此光子晶体滤波器的设计与研究在... 详细信息

在光通信系统中,为了使光学系统的稳定性得到保证,避免反射光对系统中器件工作的影响,设置非互易性传输的光器件是非常必要的。与传统滤波器相比,光子晶体滤波器具有尺寸小、能耗低、易于集成等特点,因此光子晶体滤波器的设计与研究在光通信中有很大的应用价值。本文基于光子晶体模态耦合理论,在二维完美光子晶体中通过引入不同缺陷结构的方式设计波导、谐振腔结构,利用二者各自局域的模态之间的匹配性,实现非互易滤波功能。应用COMSOL和Rsoft软件对非互易性滤波器结构进行结构设计和性能分析。本文主要围绕以下几个方面展开:（1）基于光子晶体波导与谐振腔耦合模理论,设计了一种无磁性正方格子光子晶体非互易性单通道滤波器结构。通过纵向移除一列介质柱,同时优化其两侧介质柱的位置参数实现直线波导1,该波导为双模态波导,可以承载奇模态和偶模态电磁波信号的传播,奇模态带范围为0.2462（a/λ）～0.4214（a/λ）,偶模态带的范围为0.3540（a/λ）～0.4214（a/λ）;通过移除水平方向一排介质柱而形成波导2,其导波范围为0.3042（a/λ）～0.4225（a/λ）,只可以承载横向偶对称模态电磁波的传输。在波导1和波导2交汇处设计矩形介质柱谐振腔,该矩形介质柱长边为水平方向。优化该矩形介质柱谐振腔的结构参数,使得该谐振腔在横向和纵向具有不同的谐振频率和对称模态。根据谐振腔的谐振频率是否在波导的导波范围内,谐振频率的对称模态与波导的导波对称性是否一致,实现光的非互易性滤波传输,奇模态的0.4106（a/λ）频率的电磁波从波导1的端口入射,并从波导2的端口传输;反向截止。通过对输入波导1的结构优化,对谐振腔与波导间的耦合部分的优化,实现最优的正向透射率为93.7%,反向截止,透射率几乎为0。（2）就单通道非互易滤波器而言,（1）中的结构略显复杂,为此,设计了更简单的结构,该结构具有更高的正向透射率。采用的光子晶体结构与（1）中的相同,入射波导为渐变的类似水瓶形状的直波导3,该渐变波导能够承载多个范围的奇、偶对称模态电磁波的传输;沿着光子晶体竖直方向移除两排介质柱,形成波导4,该波导为双模态波导,作为输出波导。在波导3与波导4交汇处设计了正方形介质柱谐振腔,该谐振腔局域单一的谐振频率电磁波,但在横向与纵向具有不同的对称模态。利用波导与谐振腔局域电磁波对称模态之间的匹配性,实现非互易传输。经过对谐振腔内介质柱以及耦合介质柱的优化后,该结构正向透射率提高到95%,反向入射时,由于模态不匹配,透射率为0。（3）基于（1）中的矩形介质柱谐振腔具有多个谐振频率,且在横向和纵向的对称性不同,因此,依据同样的耦合模理论设计了一种类T型非互易性双通道滤波器结构。在矩形谐振腔的上方,沿着水平方向移除一排介质柱,形成波导5,该波导与波导2类似,导波特性相似。利用矩形谐振腔局域电磁波的纵向对称性与波导5导波特性的匹配度,实现了相应电磁波与波导5耦合输出。结果表明,频率分别为0.4106（a/λ）、0.4002（a/λ）的奇对称模态电磁波从波导1入射,分别从波导2和波导5输出,反向截止。双通道的滤波插入损耗分别为0.4d B和0.36d B,通道间隔离度为33d B和22d B。所设计双通道非互易滤波器结构滤波效果良好,在未来全光通信集成领域具有潜在的应用价值。

关键词：光子晶体非互易性滤波器隔离度插入损耗

一维金属膜-磁光光子晶体非互易性Tamm态研究

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一维金属膜-磁光光子晶体非互易性Tamm态研究

作者：袁光耀南京林业大学

学位级别：硕士

对光波的调控是现代光学的核心目标之一,也是目前先进的集成芯片制造、量子光学通信和军事国防领域的基础。具有非互易性特点的单向传输更是在光信息传输和存储中有重要的意义。本论文从传统一维光子晶体的能带特性出发,巧妙的将金属层... 详细信息

对光波的调控是现代光学的核心目标之一,也是目前先进的集成芯片制造、量子光学通信和军事国防领域的基础。具有非互易性特点的单向传输更是在光信息传输和存储中有重要的意义。本论文从传统一维光子晶体的能带特性出发,巧妙的将金属层与一维磁光光子晶体相结合,研究了复合光子晶体出现的新奇传输特性以及光场调控的潜在应用,主要研究内容如下:首先从磁光材料电磁参数的色散特性出发,基于经典传输矩阵理论,对TM波在磁光材料中的传输矩阵进行推导。并且根据Bloch周期性边界条件,推导了金属与周期结构界面存在表面波的条件。此外,设计了一种一维三元周期性结构,并对其能带特性进行研究,探讨了入射光角度、周期数、介质层厚度、磁光层厚度对一维光子晶体能带的影响,通过数值计算优化了结构参数。在磁光光子晶体的最右侧引入金属层,以此来激发形成光学Tamm态,并且由于磁性材料打破时间反演对称性,从而实现了禁带中的非互易性传输的表面波。基于上一部分研究了单侧的一维周期性结构,在金属层另一侧放置磁化方向相反的光子晶体实现对称结构,该设计使得带隙中出现了两对单向传输通道。在此基础上,通过改变入射光角度等几何参数验证了该非互易性表面态的鲁棒性与稳定性。该设计在未来光学集成元件如光二极管、滤波器和光隔离器的设计中具有广阔应用前景。最后,通过馈入泵浦光,在此双侧对称的一维多层结构中引入增益/耗散因子,实现了超强透射效应,并讨论了不同参数对超强透射的影响。基于PT对称理论,对单侧磁光参数进行调控,使得超常的非互易传输可以在很小的增益/耗散因子下实现,弥补实验上较大的增益/损耗因子难以引入的缺点,从而为非厄米非互易光学器件中的设计提供了新的思路。

关键词：光子晶体非互易性时空对称性增益/耗散因子

无磁性光子晶体类T型非互易性双通道滤波器设计

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激光与光电子学进展 2023年第5期60卷 288-293页

作者：徐聪陈德媛李宜书葛士曾南京邮电大学集成电路科学与工程学院江苏南京210023

基于无磁性二维光子晶体设计了一种由直线波导及矩形谐振腔构成的类T型非互易性双通道滤波器。矩形谐振腔具有局域多频率电磁波且电磁波传播方向可调的特性,直线波导的结构尺寸决定了其对不同对称性电磁波的承载能力。利用矩形谐振腔和... 详细信息

基于无磁性二维光子晶体设计了一种由直线波导及矩形谐振腔构成的类T型非互易性双通道滤波器。矩形谐振腔具有局域多频率电磁波且电磁波传播方向可调的特性,直线波导的结构尺寸决定了其对不同对称性电磁波的承载能力。利用矩形谐振腔和直线波导的特性实现了非互易性双通道滤波功能。实验结果表明:正向传输情况下,滤波器实现了中心波长分别为1534 nm和1574 nm,带宽分别为16 nm和8 nm的滤波传输,对应的插入损耗分别为0.4 dB和0.36 dB,通道间隔离度为33 dB和22 dB;反向输入情况下,电磁波对称模式的不匹配导致无法传输。这表明设计的双通道非互易滤波器滤波效果良好,在未来全光通信集成领域具有潜在的应用价值。

关键词：光学器件光子晶体非互易性滤波器隔离度插入损耗

非互易性可调微波器件的集总等效电路建模及器件设计

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非互易性可调微波器件的集总等效电路建模及器件设计

作者：张秋实中国计量学院

学位级别：硕士

将磁电层合材料与微波器件相结合可以实现磁电双可调微波器件,通过铁磁共振效应以及磁电效应可以有效实现器件频段的调节特性,具有低损耗,效率高、调节速度快等特点。同时,由于铁氧体本身所具有的磁各向异性等特性,又广泛应用于非互易... 详细信息

将磁电层合材料与微波器件相结合可以实现磁电双可调微波器件,通过铁磁共振效应以及磁电效应可以有效实现器件频段的调节特性,具有低损耗,效率高、调节速度快等特点。同时,由于铁氧体本身所具有的磁各向异性等特性,又广泛应用于非互易性微波器件上面,例如铁氧体移相器、隔离器、环形器等,实现了微波器件的多功能性。具有高性能多功能的非互易可调器件在未来电子战系统、无线通信系统等领域具有巨大的应用前景。在对非互易性微波器件进行设计时,往往利用传统的电磁场仿真以及实物制作的办法进行设计,一旦制作成功性能就会固定。现有的非互易性器件功能比较单一,工作频段往往不能进行调节。同时由于引入了磁电层合材料,在设计仿真的过程中往往耗时较长,效率较低。为了提高设计的效率,有学者将磁电层合材料与微波传输系统的耦合传输机理进行分析,将物理模型等效为一个集总电路模型,有效的预测了器件的性能,大大减少了仿真设计所用的时间。尽管对于磁电器件的集总等效电路已经有过研究,但这些研究仅仅是针对对称结构的互易性二端口滤波器以及单端口谐振器等器件,对于非互易性的二端口可调器件的集总等效电路还处于空白阶段。针对上述问题,本文主要做了一下研究:首先,针对具有磁电双层结构的微波传输系统,根据静磁波在材料上的传播机理,利用Maxwell方程分别对铁磁体器件以及铁电体器件本征模的本征频率进行求解。当铁磁相和铁电相均工作于最低次模时,两者发生最大的耦合作用,得到双层结构的色散关系的具体表达式。同时对铁电体材料进行弹性吉布斯自由能展开,得到了微波频率下的铁电相介电常数理论表达式。最后将该介电常数公式代入到新的色散关系里,便可得到最终的静磁波在双层磁电材料上传输的色散关系。之后,将该新的色散关系利用到磁电器件的集总等效电路当中,验证了该双层色散方程的有效性。之后,针对磁电可调非互易性带通滤波器,基于磁电层合材料的逆磁电效应,考虑压电层电调等效因子的影响,引入辐射阻抗,辐射电容,辐射电感以及耦合电感等来表示互易性耦合带部分电路,同时引入带有受控源CCVS的T型等效电路来对滤波器模型的非互易传输特性进行表示。由此建立起了基于非互易性磁电可调带通滤波器的集总等效电路模型。将偏转角度为0度与45度时的集总电路预测结果与实验结果相比较进而验证了该模型的有效性。之后利用该集总等效电路模型,通过改变压电相上面的电压来对该模型的电可调特性进行预测,并与电磁场仿真结果相比较从而进一步验证了该模型的有效性。最后,改变铁氧体板的厚度以及耦合微带线的宽度对滤波器的性能影响进行了理论性的预测。最后:首先根据铁氧体的各向异性特性,结合铁氧体矩形波导隔离器的设计原理,将铁氧体材料用于基片集成波导中,设计了一个基于铁氧体基底的半模基片集成波导隔离器。该器件实现了非互易性隔离特性,有效减小了普通集成波导的尺寸,同时改变施加的外部磁场还实现了频段可调节特性,在微波通信行业具有较大的应用潜力。其次,利用左右手圆极化波在铁氧体中非互易的传输特性,将磁电层合材料放置在周期性锯齿型结构微带传输线上,实现了一个磁电可调双端口隔离器,不但实现了较好的隔离特性,而且实现了工作频段的磁电双可调。上述两种非互易器件对设计者在实现非互易器件上面提供了新的思路。

关键词：非互易性磁电可调微波滤波器集总等效电路色散关系

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硅基磁光波导的非互易性研究

硅基磁光波导的非互易性研究

作者：李航天北京交通大学

学位级别：硕士

随着现代片上集成光学的发展,作为集成光系统中必不可少的非互易光波导迅速成为了研究热点,朝着更加小型化、集成化和智能化的方向发展。本文从磁光效应和磁光材料产生非互易性的物理本质出发,在非互易光波导的理论推导、数值计算以及... 详细信息

随着现代片上集成光学的发展,作为集成光系统中必不可少的非互易光波导迅速成为了研究热点,朝着更加小型化、集成化和智能化的方向发展。本文从磁光效应和磁光材料产生非互易性的物理本质出发,在非互易光波导的理论推导、数值计算以及仿真设计等方面开展了如下研究。1.推导了具有非互易特性传播特性的色散方程。首先从麦克斯韦方程出发,推导了在磁场作用下,旋磁和旋电两类磁光材料的磁导率和介电常数的非对称矩阵表示。应用这两类材料,研究了一种在硅和磁光材料界面处传播的非互易表面磁等离激元(Surface Magneto Plasmons,SMPs),发现在特定的频率范围内,基模和高阶模式的SMPs均具有一定的单向传播区域。所谓单向传播,即波导的一个方向可以通光,在另一传播方向该模式是截止的,即可以实现光隔离的功能。2.通过对色散方程进行数值计算,研究了单向传播模式的存在条件及带宽。通过数值计算色散曲线和磁光材料的能带结构,发现两类磁光材料在银-硅-磁光材料的平面波导结构中具有相似的特性,硅厚度的增加使高阶模式出现在频率更低的位置,压缩基模的单向传播区。外磁场的增大能够提高单向传播的频率,但也存在着引入高阶模式的问题。通过优化波导的结构参数,发现旋磁材料YIG的单向传播频段在GHz波段,最大隔离带宽达到2.45GHz,旋电In Sb的单向传播频段在THz波段,最大隔离带宽达到3.9THz,该方案在实现GHz和THz波段隔离上具有广阔的应用前景。3.仿真了一种跑道型磁光微环隔离器。由于基于直波导表面磁等离激元的隔离方案很难将隔离频段近一步提高,本文还通过仿真研究了一种基于磁光微环谐振腔结构,实现1550nm波段隔离的方案。推导了非互易相移效应及磁光微环的基础理论公式,优化了截面磁光材料的尺寸使非互易相移值达到6450deg/cm。通过仿真半径为50μm的跑道型磁光微环,发现施加40μm的Ce:YIG,该跑道型磁光微环能够在波长1542.53nm处达到20.4dB隔离度。

关键词：非互易性磁光隔离器表面磁等离激元单向传播模式非互易相移

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微波铁氧体器件的非互易性和非线性问题研究

微波铁氧体器件的非互易性和非线性问题研究

作者：岳峰南京理工大学

学位级别：硕士

微波铁氧体的非互易性和非线性问题是两个技术关键问题,本文从磁矩进动方程出发,描述了铁氧体材料的旋磁特性,即磁导率张量特性及磁共振特性。以及电磁波在选磁介质中传播产生非互易传播特性。另一方面磁矩进动过程中,电子自旋磁矩的相... 详细信息

微波铁氧体的非互易性和非线性问题是两个技术关键问题,本文从磁矩进动方程出发,描述了铁氧体材料的旋磁特性,即磁导率张量特性及磁共振特性。以及电磁波在选磁介质中传播产生非互易传播特性。另一方面磁矩进动过程中,电子自旋磁矩的相互作用,导致了非线性效应,进动过程产生振动、晃动（障动）,导致了材料高功率非线性损耗出现和倍频、混频和互调信号的激发等非线性问题的出现。本论文的主要工作是应用上述微波铁氧体的基本原理,建立了微波在旋磁介质中传播的非互易方程和非线性方程,以高频电磁场结构仿真软件（HFSS）为平台,结合各种微波铁氧体器件的设计为实例,定量地或定性地研究了它们的性能。第三章和第四章讨论了铁氧体器件的非互易性问题,微波铁氧体器件的非互易性有两类：幅度的非互易性,即正／反向传播时产生不同的损耗,与此相关的微波铁氧体器件有各种结构的Y形结环行器,如波导结环行器,带线和微带环行器,集总参数环行器等。通过一系列仿真设计结果和通过非互易方程的积分结果进行比较。通过上述一系列器件仿真结果来看,可以证明非互易方程的正确性,非互易原理可以指导铁氧体器件的设计工作。另一类非互易性为相位非互易性问题,不同传播方向或不同磁化方向传播产生不同的相位差值,可以设计成移相器和差相移环行器。除上述设计工作以外,对微波铁氧体非互易性机制的讨论至关重要,关系到旋磁性的张量磁导率和非互易传输特性相关,为了深入对非互易性基本概念的理解,非互易方程中的场积分包括场分布和张量特性关系,通过一些设计实例,如Y形带线和微带环行器,波导Y形结环行器和铁氧体开关,对此用非互易性机理进行了详尽的研究和设计计算。本文应用了归一化非互易性方程,其积分计算结果和仿真结果相比较十分吻合。第五章研究了铁氧体器件的非线性问题：非线性问题有两类：第一类非线性问题为高功率非线性问题,当微波功率大于临界功率后材料产生非线性损耗,损耗迅速增大,其来源于自旋波激发。通过仿真设计,对场强分布的观察,估量出临界功率的大小,解决高功率器件设计问题。第二类非线性问题为进动轨迹的扭曲产生的障动,或振动与晃动（摆动）。这在微波铁氧体器件应用到通讯技术中,同时出现两个主频f1,f2时,不仅有倍频效应2f1,2f2,还有混频效应,两者的复合效应便产生三阶互调信号：2f1-f2及2f2-f1,此信号对通讯中主频信号f1,f2产生严重干扰。所以重要的问题是研究铁氧体中的三阶互调问题以及如何去克服它,首先对出现三阶互调的磁谱进行了研究,为了减少三阶互调信号,必须计算出三阶互调的磁谱曲线;通过920-925MHz和1840-1845MHz两个频率的设计,指出当工作磁场大于铁磁共振场并大于谐波共振场时,可以获得最小互调3-IMD信号。第二,环行器的三阶互调可以通过HFSS仿真技术和数值计算法相结合进行,它和微波结构、材料磁矩采用、工作磁场大小密切相关。

关键词：进动张量磁导率非互易性数值积分 HFSS 开关环行器移相器非线性效应三阶互调

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非互易性波导的有效模折射率研究

宁波工程学院学报 2019年第4期31卷 1-6页

作者：王卓远王金霞王聪郑廷刚宁波工程学院电子与信息工程学院

研究设计了一种采用铁氧体材料、具有非互易特性的矩形波导,对波导内部旋磁材料平板内的电磁场分布进行分析求解,推导出在外偏置磁场作用下波导表面等离子体激元的单向传播性质,得到单向电磁边界模的色散关系;研究分析了该非互易性波导... 详细信息

研究设计了一种采用铁氧体材料、具有非互易特性的矩形波导,对波导内部旋磁材料平板内的电磁场分布进行分析求解,推导出在外偏置磁场作用下波导表面等离子体激元的单向传播性质,得到单向电磁边界模的色散关系;研究分析了该非互易性波导的有效模折射率的特点,以及结构参数对有效模折射率数值的影响。结果表明,该波导传播模式的数量随着波导宽度的增加而增多,而传播模式的有效模折射率却随之减小,并最终趋于一个稳定值。该现象不同于常规金属矩形波导,有望拓展非互易性波导结构在信息传输和光芯片集成领域的应用范围。

关键词：非互易性波导有效模折射率

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非互易拓扑光子学研究进展(特邀)

光子学报 2023年第8期52卷 30-41页

作者：周裕鸿郑悠徐力喻平高振王卓远宁波工程学院电信学院宁波315211 南方科技大学深圳518055

光的传播通常是互易的,传统的互易性光学器件面临光学衍射极限等问题,限制了其性能的进一步提升。非互易性光学器件能够实现光的单向可控传输,非互易拓扑光子态具有抗背向散射、免疫障碍物和缺陷等多种优异的物理性质,因而在光集成电路... 详细信息

光的传播通常是互易的,传统的互易性光学器件面临光学衍射极限等问题,限制了其性能的进一步提升。非互易性光学器件能够实现光的单向可控传输,非互易拓扑光子态具有抗背向散射、免疫障碍物和缺陷等多种优异的物理性质,因而在光集成电路、非线性光学等多个领域具有潜在的应用价值。本文聚焦并回顾了非互易拓扑光子学的应用价值和研究进展,分别介绍了通过旋磁材料光子晶体、基于磁表面等离子激元、利用光学非线性效应和基于时间调制等不同的途径和手段实现非互易光子拓扑态的理论依据和研究进展,比较各自特点,并对其未来发展趋势和面临的关键问题进行了分析和展望。

关键词：非互易性拓扑光子学光子晶体旋磁材料磁表面等离子激元非线性效应