【摘 要】
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在微纳光学结构中合成等效磁场是一条实现光子调控的新途径,受到了越来越多的关注。在菱形晶格中,引入光子规范势使光子也能获得类似于电子在磁场中获得的Aharonov-Bohm(AB)附加相位,可以利用该相位实现光子的干涉相消构造AB cage,目前已在螺旋波导阵列、间接耦合波导、角动量辅助波导等多种波导体系中得到了大量研究。然而,在波导结构中引入光子规范势比较复杂,往往需要构建三维的立体结构,不利于光
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在微纳光学结构中合成等效磁场是一条实现光子调控的新途径,受到了越来越多的关注。在菱形晶格中,引入光子规范势使光子也能获得类似于电子在磁场中获得的Aharonov-Bohm(AB)附加相位,可以利用该相位实现光子的干涉相消构造AB cage,目前已在螺旋波导阵列、间接耦合波导、角动量辅助波导等多种波导体系中得到了大量研究。然而,在波导结构中引入光子规范势比较复杂,往往需要构建三维的立体结构,不利于光子器件的集成。为了解决这一问题,本论文提出利用硅基微环谐振腔阵列构建一维菱形晶格,通过改变微环的相对位置可以灵活地调整晶格环路中的磁通量,从而引入光子规范势,构建可片上集成的光子AB cage系统。本论文的主要研究内容如下:(1)根据波导和微环谐振腔基本原理设计了硅基波导和微环结构,确定了其支持单模传输的基本结构参数。进一步,利用数值模拟研究了微环形状、波导宽度、耦合间距等结构参数对波导耦合强度、谐振波长等物理属性的影响,确定了构建一维菱形排布的微环谐振腔阵列的结构参数。(2)基于微环谐振腔构建了一维菱形排布的硅基微环阵列,通过在连接环中引入偏移量使得每个菱形环路的磁通量大小为π,获得了一维的光子AB cage。理论分析表明,该一维光子AB cage结构的能带在本征值E=0,±21/2t和±2t具有无色散的特点,显示出一种光子平带结构。同时,我们对构建的一维光子AB cage进行了理论模拟。结果表明,在菱形链的边缘端口激发时可以观察到透射谱中有两个劈裂的共振谷,这对应于本征值为±21/2t的边界态,其场分布局域在被激发的主环和另外两个近邻的主环。而在AB cage结构中间端口激发时其透射谱中出现三个劈裂的共振谷,这对应于本征值为0,±2t的体态。我们还研究了该结构中的磁通量变化对光子局域效应的影响,发现当磁通量为φ=(π+π/10)和φ=(π+π/5)时依然可以观察到局域的边界态,表明该一维光子AB cage结构的边界态对磁通量微扰具有较好的鲁棒性。(3)在理论研究的基础上,我们对设计好的硅基微环阵列构建的一维光子AB cage开展了实验研究。利用电子束曝光和电感耦合等离子体刻蚀等微纳加工技术制备了菱形排布的硅基微环谐振腔构成的光子AB cage结构,并对加工的工艺参数进行了系统优化,获得了与理论设计符合较好的样品。然后,我们搭建了片上微纳结构的测试平台,并测试了一维菱形微环阵列(光子AB cage结构)的透射谱。结果表明,从一维菱形微环阵列的边缘端口激发时,透射谱中出现两个由AB cage引起的透射谷,这对应于该系统的两个边界态模式,与理论计算符合。另外,从一维菱形微环阵列的中间的端口激发时,透射谱中出现三个劈裂的透射谷,这对应于该系统的体态模式。
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