拓扑光子态是具有单向传输特性的新型波导态,展示出抗背向散射、障碍物及缺陷免疫等独特而神奇的物理性质。拓扑光子态因其独特性在拓扑激光器、量子信息、混合集成光路、非线性光学等领域具有广泛的潜在应用。磁光光子晶体为实现拓扑光子态、探索拓扑光子态新物性提供了重要平台。本文聚焦磁光光子晶体中拓扑光子态的研究进展,首先回顾有序、无序晶格中的拓扑光子态,揭示拓扑光子态的微观物理图像。接着讨论时间和空间反演对称性双破缺体系中的拓扑光子态,简述反手性拓扑光子态的产生。然后介绍宽带拓扑光子态及拓扑慢光态研究,展示新颖的拓扑光学现象及器件设计。最后针对磁光光子晶体中拓扑光子态研究面临的关键问题、未来发展趋势进行分析和展望。

基于二维磁光光子晶体和拓扑光子学理论,提出一种新的光路传输网络结构,其由一系列光子晶体和空气的矩形单元组成。首先根据施加正向磁场、负向磁场和空气区域的三种情况分别标记为“+1”、“-1”和“0”并将其作为编码单元。然后构建2×2、3×3和4×4三种光路矩阵网络。最后利用COMSOL软件模拟光波的传输路径。仿真结果表明,通过不同的编码序列可以对光路实现灵活和多样的控制,从而在未来光集成回路中满足高密度光路传输和大容量信息处理的要求。

单层石墨烯的吸收率非常低,从而一定程度上限制了其在光电子学领域的应用。基于石墨烯的磁光效应,提出利用磁光光子晶体来增强石墨烯吸收率的方案。利用4×4传输矩阵法研究了相关物理参数对石墨烯吸收率的影响。结果表明:通过调节外加磁场可以有效增强石墨烯的吸收率,石墨烯的吸收特性表现出一定的磁圆二色性;调节外加磁场的磁感应强度和费米能量,可使石墨烯对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光均具有较高的吸收率,在一定条件下可实现近完美吸收。研究结果为基于石墨烯的高性能磁圆二色性传感器、光吸收器和光电探测器等新型光电子器件的设计及制作提供了理论依据。

应用4×4传输矩阵法数值分析线偏振光在一维磁光光子晶体中的传输特性。 首先推导了4×4传输矩阵, 然后数值计算线偏振光在一维磁光光子晶体中传输时的透射谱和法拉第旋转角,结果表明:当施加外磁场时, 由于磁光材料的磁光效应,线偏振光中的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光在一维磁光光子晶体中传播时的透射谱 不再重合,导致透射谱发生分裂。最后计算透射光的电场强度x分量和y分量的振幅和相位,得到透射光的表达式和法拉第旋转角。

构建了一种介质层与磁性层交替排列的一维磁光光子晶体,结构中间缺陷层采用介质材料。在缺陷层两侧分别施加方向相反的磁场,该结构能实现电磁波的非互易性传输。运用修正后的传输矩阵法计算分析结构的透射谱,研究结果表明,当缺陷层的厚度变化时,在一定的波长范围内,光子晶体光子禁带中会出现多个非互易通道,且缺陷层的厚度越大,相邻通道的间距越小,禁带中所能容纳的通道数目越多。当缺陷层厚度为7500 nm时,光子禁带中非互易通道数可达7。所设计的光子晶体结构有望用来制作多通道光隔离器,在密集波分复用光通信技术以及集成光路等领域得到应用。

在超薄薄膜的基础上, 基于时域有限差分法原理, 利用FDTD Solutions仿真软件分别研究了基于两种多层膜结构和一种金属光栅结构的磁光光子晶体法拉第旋光效应。研究表明, 多层膜结构的法拉第旋光效应增强原理为入射光在薄膜中心层的透射谱谐振, 而金属光栅周期结构的法拉第效应增强是通过金属光栅激发表面等离子体实现的; 在三种结构中, 金属光栅周期结构具有更广的法拉第偏转角增强域。进一步通过参数优化, 实现对金属光栅周期结构工作波长的可调节性研究, 为薄膜型磁光器件设计提供了理论依据。

光存储系统是未来全光通信和全光计算的关键要素。基于有限元方法的仿真实验研究，设计了一种新型的光学存储系统，该系统基于磁光光子晶体单向边界模式与微腔模式的耦合。应用磁光光子晶体单向边界模式特性形成闭合回路。设计另外的单向波导和磁性微腔，电磁信号不仅能从闭合回路中取出，而且能写入回路。通过外加磁场控制微腔属性，可动态实现电磁信号的读写操作。