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设计狄拉克涡旋拓扑光子晶体光纤

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由拓扑光子晶体制成的光纤可提高多功能性,并控制其传输的光的模式和偏振。从成分上讲,光子晶体包含带隙,以防止光相对于特定波能和动量的通过,这很像通/断开关。在现在发表在《自然光:科学与应用》上的新报告中,中国科学院物理研究所的郝浩和凌璐通过称为“光子学”的拓扑特征在较大的频率范围内传输了纯“单模”光。 “狄拉克漩涡”。该概念可以导致应用程序在长距离上更稳定地传输光信号。目前这项工作是理论上的,堆叠和绘制方法或三维(3-D)打印技术来制造和测试这些理论概念。

了解光子晶体光纤中的节点线和Weyl点。

光子晶体光纤的功能依赖于无穷无尽的二维(2-D)晶体。基于健壮波导的拓扑光子学概念可以激发新的光纤概念,包括在磁性3-D光子晶体内部开发单向光纤。在这项工作中,Lin和Lu引入了一种类似于Dirac涡旋拓扑腔的拓扑光子晶体光纤(PCF)在横截面上使用二维光子晶体。由于带隙内的单峰中隙分散,Dirac涡旋光纤是开发超宽带单偏振单模(SPSM)光纤的理想设计。科学家通过简化设计,简化了制造步骤,只采用了四个毛细管硅胶管,最终实现了跨度为八度的SPSM。

该团队从最常见的光子晶体光纤开始,这种光子晶体是带有气孔三角晶格的二氧化硅光子晶体。该材料在布里渊区包含两条二维Dirac点的节点线。如果它们通过在原始单元格中增加一个额外的小气孔来破坏光子晶体光纤的反对称性,则构造体的每个节点线都可能进入Weyl点或材料上的拓扑电荷。Weyl粒子是难以捉摸的铁离子粒子质量逐渐消失,自然界中没有发现它们是基本粒子。取而代之的是,它们出现在固态材料中,在固态材料中3D波段可以形成拓扑受保护的点状交叉点,称为Weyl点。光子Weyl点可以在结构复杂的3-D光子晶体中实现。

在这项工作中考察的拓扑束缚态也可以实现蜂窝格子交替称为有机化合物的单,双键表示凯库勒结构,德国化学家的名字命名奥古斯特·凯库勒谁最初提出开发表示,苯有机化合物。接下来,研究人员将迪拉克点的两个节点线耦合到一个扩大的超级单元中,并将其消灭为带隙。每个超级细胞都有三个标记为人工“原子”的原始细胞,其中包含三个支柱。他们通过调整三个支柱的厚度而不改变原子的总质量,通过在任何方向上移动其质心来移动结构中的每个原子。科学家们开发了晶格的Kekulé调制,并绘制了它们相应的能带结构。

由于没有通过局部添加或去除材料形成相应的拓扑缺陷,因此Dirac涡旋光子晶体光纤的稳定性保留在设计本身中。拓扑缺陷是通过轻轻地扰动整个晶格以形成较小的局部缺陷而形成的。Dirac涡旋光纤的一个定义拓扑特征是通过增加绕组数来轻松创建多个近简模,即绕数代表整数,该整数表示弯曲绕着该点逆时针移动的次数。原则上,研究人员实际上可以从3-D打印的预成型坯(形状或形状)或通过连续的方式制造连续,单模或多模Dirac涡旋光子晶体光纤。堆叠和拉拔方法用于开发具有一百多支不同厚度的管的光纤。但是,这些方法都不方便,因此Lin和Lu等。提出了光纤设计的离散版本。

研究人员只需要四个管子就可以堆叠和拉制狄拉克涡旋光子晶体光纤,这对于制造是非常合理的。该过程中使用的四个硅胶管具有相同的外径以保持晶格,但具有不同的内径以进行调制。研究人员绘制了所得的离散狄拉克涡旋光纤及其受约束的结构,其中在六个相同的界面处存在结构不均匀性。他们还指出,狄拉克涡旋纤维内存在折射率引导模式,这种模式在任何出现支杆厚度的局部最大尖峰的地方都会发生。这些相当于有效折射率的局部升高。科学家们还注意到纤维横截面的涡旋尺寸和相应的带结构。

具有有限涡旋直径的Dirac涡旋光子晶体光纤保持了单偏振单模(SPSM)。Lin和Lu等。测试了它们相对于限制损耗,分散性以及有效面积和弯曲损耗的潜在性能。他们绘制了限制损耗最低的模式,并指出拓扑模式的损耗在一个八度的整个波长范围内最低。此处详细描述的狄拉克涡旋光子晶体光纤的规格与以前的研究相似,尽管在这项工作中使用的是单偏振模式的关键区别。

通过这种方式,郝林和凌露就Dirac涡旋拓扑光子晶体光纤的原理,构造和潜在性能进行了数值研究。他们建议使用石英玻璃管或3D打印预成型件的标准堆叠和拉伸工艺来开发这种光纤。与先前的纤维相比,该方法是有利的,因为其能够随意引导任何数量的近简模。单模设计为单偏振单模光纤提供了倍频程带宽,可通过更改材料中的涡旋大小轻松调整有效模面积。这项工作建议使用光子晶体光纤作为拓扑光子学的新平台。

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