人工合成空间中实现光子的局域以及光子的传播控制

导读

近日，Laser & Photonics Reviews期刊在线刊发了上海交通大学的最新研究成果“Isolated Photonic Flatband with the Effective Magnetic Flux in a Synthetic Space Including the Frequency Dimension”。该工作利用一维谐振环组成的系统构造了含频率维度的人工合成空间，对环周长以及光电调制器调制频率的合理设计构造出类Lieb光子晶格结构，并利用光电调制器所产生的相位差来模拟出作用于光子的等效磁流。该合成空间中的Lieb晶格置于等效磁流下可以使其能带结构产生带隙，从而达到分离平带与色散能带的目的。光场在受到等效磁流作用下的合成晶格中传播时，其孤立平带所带来的局域效果显得更为突出，从而可以通过打开或关闭调制器来达到操控光子存储以及传播的效应。上海交通大学研究生俞丹英为第一作者，袁璐琦特别研究员为通讯作者，合作者为上海交通大学陈险峰教授。

创新研究

随着人造光子晶体的工艺不断地提高，光成为传输信号的介质成为可能，但是光子作为一种中性物质外界很难对其传播加以控制。本文在合成空间中构建了类Lieb晶格，并利用等效磁流成功的操控了光子的局域效应，以及对光子的存储和传播进行有效的控制。

图一 （a）谐振环系统。（b）利用谐振环系统构造而成的含频率维度的合成空间。（c）利用光电调制器的产生的相位差使光子受到等效磁流的作用。

该工作利用谐振环系统构造出类Lieb晶格（图一（b）），以及光电调制器（EOM）产生相位差从而使光子受到等效磁流的作用。在没有等效磁流的合成Lieb晶格中，由平带导致的光场局域效应可以被外加的干扰所破坏；然而当研究者加入等效磁流，从而使平带与色散能带分离后，激发于平带上的光场在外加有限干扰下依旧可以保持较为良好的局域效果（图二（d）-(f)）。

图二 （a）-（c）在合成空间中的类Lieb晶格中，无等效磁流作用下，光场的扩散模拟图。（d）-（f）有等效磁流作用下，光场的扩散模拟图。

图三（a）-（f）光波在不同时刻下的传输图像

该工作利用了Lieb晶格本身存在平带并且加入等效磁流来达到分离平带与色散能带的目的，从而使光子在其中存储时有很好的局域效果。利用该局域效果可以有效的控制光子的传播行为。当在一维谐振腔阵列中输入向右传输的光场时，一旦打开系统中的光电调制器的调制开关，合成空间就在瞬间建立了起来，光场在该类Lieb晶格中就被局域从而停止了传播。而当关闭系统中光电调制器的调制开关时，合成空间即恢复成了一维实空间，而光子也将恢复继续向右传播（图三）。这项研究为以后有效控制光子的存储信息提供了重要的参考价值。

       此研究工作得到了国家自然科学基金（No. 11974245）、国家重点研究计划项目（No. 2018YFA0306301, 2017YFA0303701）、上海自然科学基金（No. 19ZR1475700）的支持。

       文章链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202000041