Author Affiliations
Abstract
1 Tongji University, School of Physics Science and Engineering, Shanghai, China
2 Tongji University, MOE Key Laboratory of Advanced Micro-Structure Materials, Shanghai, China
3 Tongji University, Center for Phononics and Thermal Energy Science, China-EU Joint Lab on Nanophononics, Shanghai Key Laboratory of Special Artificial Microstructure Materials and Technology, Shanghai, China
The unidirectional excitation of near-field optical modes is a fundamental prerequisite for many photonic applications, such as wireless power transfer and information communications. We experimentally construct all-electric Huygens and spin metasources and demonstrate anomalous unidirectional excitation of high-k hyperbolic modes in two types of hyperbolic metasurfaces. We use a Huygens metasource to study the unidirectional excitation of hyperbolic bulk modes in a planar hyperbolic metamaterial (HMM). Specifically, unidirectional excitation is the same as that in free space in the vertical direction, but opposite to that in free space in the horizontal direction. This anomalous unidirectional excitation is determined by the anisotropic HMM dispersion. In addition, we use a spin metasource to observe the anomalous photonic spin Hall effect in a planar hyperbolic waveguide. For a near-field source with a specific spin, the guide mode with a fixed directional wave vector is excited due to spin-momentum locking. Because the directions of momentum and energy flows in the HMM waveguide are opposite, the unidirectional excitation of hyperbolic guided modes is reversed. Our results not only uncover the sophisticated electromagnetic functionalities of metasources in the near-field but may also provide novel opportunities for the development of integrated optical devices.
hyperbolic metasurfaces topological transition guided modes circuit-based metamaterials metasources Advanced Photonics
2021, 3(3): 036001
利用数值模拟对扩散非线性机制下由光折变表面波诱导的薄层波导中导模的形成和特点进行了研究。采用分布傅里叶法对导模的传输特性进行了模拟。通过求解本征方程, 对光折变表面波诱导的薄层波导中存在的导波模式进行了数值求解。通过调节传播常数和波导参数的方法, 可以控制导模的阶数和传播波形。随着阶数的增加, 导模轮廓的对称性越来越差; 随着波导参数的增加, 导模的峰值振幅单调递增。导模的能量主要聚集在晶体薄层波导中靠近-c轴的一侧, 随着传播常数的增大, 导模能量先减小后增大, 且导模可以稳定传播。
非线性光学 光折变表面波 薄层波导 导波模式 nonlinear optics photorefractive surface wave thin layer waveguide guided modes
在三维拓扑绝缘体表面上外加铁磁条形成的磁势垒量子阱，通过控制入射电子能量，使得入射电子波限制在势阱中传播，并由波函数的连续性求得磁诱导三维拓扑绝缘体波导的色散方程.由于此方程是超越方程，不能解析求解，因此本文采用图解法求解色散方程的解.研究表明：在入射电子能量大于磁势垒和小于磁势垒的情况下，都能够形成波导；当入射电子的能量大于磁矢势时，波导能够支持基模，而且模式阶数也依次递增；而当入射电子能量小于磁矢势时，波导能够承载的导模数量有所减少.通过研究波导中导模几率密度的空间分布，发现三维拓扑绝缘体表面上磁场诱导的电子波导能够很好地束缚电子，而且低阶模对电子的束缚能力强于高阶模.此外，本文也推导出了波导的几率流密度分布的公式.
拓扑绝缘体 波导 导模 图解法 Topological insulator Waveguide Guided modes Graphical method
1 湖州师范学院理学院， 浙江 湖州 313000
2 上海大学特种光纤与光接入网省部共建重点实验室， 上海 200072
对纤芯为各向异性左手材料，包层为普通材料的光纤进行了相关研究。首先，从Maxwell方程组出发，得到了各向异性左手材料光纤振荡模的色散方程。根据这些色散方程及其当前左手材料实际结构，同时考虑实际左手材料的频率色散特性，画出了TE、TM、HE和EH振荡模的色散曲线。通过对这些色散曲线的比较、分析，得到了一些振荡模的色散特性。比如：随着频率的增加，有效折射率也单调增加；TM振荡模有一定的群速，而EH振荡模有2个不同的群速，其突变频率约为4.46 GHz。此外，随着模阶数的增加，色散曲线向左上方移动；随着纤芯半径的增加，色散曲线向右下方移动，HE11振荡模的工作频域随着纤芯半径的增加而变宽。总之，这些都是有趣的色散特性，为进一步设计高性能光纤指明了方向。
光纤光学 左手材料 振荡模 频率色散
宁夏大学物理电子信息学院, 宁夏 银川 750021
利用导模展开方法计算得到了三角格子三组分光子晶体薄板的能带结构和固有损耗。在光子晶体薄板中引入的第三组分中间介质层对光子晶体薄板的能带结构和固有损耗有着显著的影响。光子带隙宽度与带隙边界的位置与中间介质层的厚度和其介电常数大小紧密相关,随着中间介质层的厚度或中间介质层的介电常数的增加,带隙边界移往低频,而各能带所对应的次导模所受固有损耗减小。
光子晶体薄板 真导模 次导模 固有损耗 介质中间层 photonic crystal slab truly guided mode quasi-guided modes intrinsic losses dielectric interlayer
1 河北工业大学 理学院,天津 300401
2 河北工业大学 机械工程学院,天津 300130
基于透镜扩束系统,应用棱镜耦合技术对液晶层的全漏导模特性进行了研究。采用盒厚为4.6 μm的平行排列向列相液晶盒,其内灌注E7液晶,通过实验给出了平行排列向列相液晶薄层的导波图,进而将实验结果与理论模拟结果进行了比较,理论所预言的液晶波导的导模在实验的导波图上得到了很好的验证。
向列相液晶 透镜扩束系统 导波 导模 波导 nematic liquid crystal cell divergent beam system of lens guided wave guided modes waveguide
1 上海大学理学院物理系,上海 200444
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 瞬态光学技术国家重点实验室,陕西 西安 710119
研究一个芯子层是左手材料,其他三层由传统材料构成的四层平板光波导系统,利用图解法对各种TE偏振的导波模式的解进行详细分析。研究表明,四层左手材料光波导既能支持振荡导模,也能支持表面导模,与三层左手材料光波导相比较,此四层波导的导波模式呈现一些新的特性。对于中间传统材料层存在振荡场的情形:芯子层支持振荡导模的光波导中存在基模,并且高阶振荡导模出现模式缺失的性质;芯子层支持表面导模的光波导可以支持基模和多个高阶模式,并且存在模式兼并的性质。对于中间传统材料层存在衰减场的情形,此四层波导结构可等效为三层左手材料光波导。这些新的光波导传输性质对各种光波导器件的制作有潜在的应用价值。
光纤光学 左手材料光波导 图解法 导模
从麦克斯韦方程组出发,结合电磁场的边界条件,推导出介质矩形波导导模的一般色散方程。对普通介质矩形波导和左手介质矩形波导的导模场分布分别进行了数值模拟。通过对比两种介质矩形波导的导模场分布的模拟结果,发现左手介质矩形波导Ex22模的场分布比普通介质波导Ex00模的场更集中在波导中部。同时,根据处理普通介质矩形波导的Marcatili方法,类比得到左手介质矩形波导表面模的色散方程,并数值模拟了低阶模的场分布,结果表明,能量主要集中在波导的四个角区以及波导的边缘。
光学材料 矩形波导 场分布 左手介质 导模 表面模
对圆芯和包层都是手征介质的阶跃型手征光纤进行了解析求解,导出了模式特征方程,给出了手征光纤中模式场、光强和光功率分布的表达式。分别研究了纤芯和包层中的手征参数对模式特性的影响。
手征波导 手征光纤 手征包层光纤 模式特征方程 导模
