应用非互易光子晶体构建慢光系统的理论与实验研究

Slow light is an important issue in both optical engineering and optical communication technology. As the core technology of the future optical communication, the development of slow light has a direct impact to modern photonic network and the future hybrid quantum network. Combining with the hot topic of the electromagnetic chiral edge states, in this project, we propose a new type of slow light waveguide based on nonreciprocal photonic crystal. Using the unique characteristics of the chiral edge states, the waveguide can avoid the effect of materials' loss and the bug of wave back transmission effectively. The factors, such as lattice structure, filling ratio, waveguide width, boundary condition, line defects ,etc, have an effect on the shape of chiral edge state originating from topological structure and magnetic plasmon resonance. By analyzing the dispersive properties of chiral edge state, a slow light waveguide model is designed and fabricated, which has a good performance with low group velocity and wide bandwidth. According to the electromagnetic theory and simulation, a new method of measuring group velocity is proposed. By use of the method, we verify the slow light property experimently with hope of discovering new phenomena and finding new question. The project will be of great value for new optical devices.

慢光传播是当代光电工程和光通信技术中的一个重要问题。作为未来光通信的核心技术，慢光技术的发展直接影响到现代光子网络的构建和未来混合量子网络的开发。本项目结合电磁手性边缘态这一热门话题，提出了一种基于非互易光子晶体边缘态的新型慢光波导。利用手性边缘态的独特电磁特点，该慢光波导有效避免了材料损耗和慢波的回传问题。通过研究拓扑结构、占空比、波导宽度、边界散射、线缺陷等对霍尔手性边缘态和磁等离激元边缘态的群速度、带宽宽度等慢光性能的影响，设计制备具有高慢光因子和绝对带宽的高性能非互易慢光波导。课题以理论分析为指导，在电磁仿真的基础上，分析了导波在慢光波导中传播的相位特点，提出微波段电磁波群速度测量的新方法。根据材料的实际电磁物性，通过开展相关实验，验证理论结果，发现新现象提出新问题，为制备新型光器件奠定基础。

慢光是指电磁波的导波群速度小于光在真空中的传播速度，其可极大地减小光器件的尺寸，完成光信号的放大、存储和再生等一系列对光信号速度有精确控制的任务，可以用来实现高灵敏度的传感，提高未来无线传感器网络的抗干扰性。同时，慢光增强了电磁波和其他粒子、机械波的相互作用时间，这对促进多学科交叉，发现新物理现象至关重要。背向散射和损耗是影响传统的慢光系统的两个主要因素，如何解决高损耗带来的影响，提高传输效率成为慢光技术发展的重中之重。本项目以解决以往慢光系统中高损耗和回传的问题为出发点，以构建宽频带高传输效率小尺寸慢光波导为目标；结合当下热门课题电磁手性边缘态，以微波段磁性光子晶体为研究对象，深入研究电磁波在边缘态的传输、激发特点，构建具有单向传输特点的慢光波导，丰富构建慢光波导的方法；通过搭建测试平台开发测量软件，实验验证单向慢光波导。在保证系统时间反演对称性破缺的条件下，利用铁氧体磁等离激元共振的特性，实现了对电磁波的捕获，实现电磁波导波群速度降为0。通过融合手性边缘态和等离激元单向态形成了几何尺寸小(单链铁氧体)，慢光带宽宽（4GHz）的慢光波导。仿照数字通信系统中的调制过程，深入研究了多模慢光波导的设计，模拟了电磁的频分复用的调制过程，提高了信息的传递量。该项目的研究对慢光的设计提供了新的理论基础，对未来光电路的搭建具有十分重要的意义。