光子晶体应用研究进展论文

迄今为止，已有多种基于光子晶体的全新光子学器件被相继提出，包括无阈值的激光器，无损耗的反射镜和弯曲光路，高品质因子的光学微腔，低驱动能量的非线性开关和放大器，波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，具有色散补偿作用的光子晶体光纤，以及提高效率的发光二极管等。光子晶体的出现使信息处理技术的全光子化和光子技术的微型化与集成化成为可能，它可能在未来导致信息技术的一次革命，其影响可能与当年半导体技术相提并论。光子晶体近期在国际上的应用进一步深化，具体表现在：1. 与纳米技术相结合，用于制造微米级的激光，硅基激光；2. 与量子点结合，使得原子和光子的相互作用影响材料的性质，从而达到减小光速、减小吸收等作用3. 光子晶体光纤应用随着社会的发展，显赫一时的半导体器件已经不能满足信息技术发展的需要，必须寻找信息传输速率更高，效率更高的新材料。普遍认为，光子技术将续写电子技术的辉煌，光子晶体将成为未来所依赖的新材料。4. 狄拉克锥在光子晶体中的实现 光子晶体的理论研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。由于光子晶体有类似电子晶体的结构，人们通常采用分析电子晶体的方法结构电磁理论来分析光子晶体的特性，并取得了和试验一致的结果。主要的方法有：平面波展开法（planewaveexpansionmethod简称：PWM）、传输矩阵法（transfermatrixmethod简称：TMN）、有限差分时域法（finitedifferencetimedomain简称：FDTD）和散射矩阵法（scatteringmatrixmethod简称：SMM）等。平面波展开法是比较常用的一种方法，它的基本思想是：将电磁场以平面波的形式展开，可以将麦克斯韦方程组化成一个本征方程，求解该方程的本征值便得到传播光子的本征频率。这种方法的不足之处是当光子晶体结构复杂或处理有缺陷的体系时，可能因为计算能力的限制而不能计算或者难以准确计算。而且如果介电常数不是常数而是随频率变化，就没有一个确定的本征方程形式，这种情况下根本无法求解。传输矩阵法是将磁场在实空间的格点位置展开，将麦克斯韦方程组化成传输矩阵形式，同样变成本征值求解问题。传输矩阵表示一层（面）格点的场强与紧邻的另一层（面）格点场强的关系，它假设在构成的空间中在同一个格点层（面）上有相同的态和相同的频率，这样可以利用麦克斯韦方程组将场从一个位置外推到整个晶体空间。这种方法对介电常数随频率变化我金属系统特别有效，而且由于传输矩阵小，矩阵元少，运算量小，同时在计算传输光谱时也是十分方便的。但是用该方法求解电磁场的分布较为麻烦，效率不是很高，因此对于光子晶体物理特性的理解没有太大的帮助。有限差分时域法是电磁场数值计算的经典方法之一。在这里将一个单位原跑划分成许多网状小格，列出网上每个结点的有限差分议程，利用布里渊区边界的周斯条件，同样将麦克斯韦方程组化成矩阵形式的特征方程，这个矩阵是准对角化的，其中只有少量的一些非零矩阵元，计算最小。但是由于有限差分时域法没有考虑晶格的具体形状，在遇到特殊形状晶格的光子晶体时，很难精确求解。散射矩阵法假定光子晶体由各向同性的介质组成，其中充满了各种开头和尺寸的没有重叠的光学散射中心。通过对所有的散射中心的散射场应用傅立叶－贝塞尔展开来求解亥姆霍兹方程，从而计算出在光子晶体中传输的场分布。应用这种方法对于求解场分布和传输光谱都是可行的，但是由于这种方法需要较长的运算时间，在有些情形下实际上是不可行的。实际理论分析中，还有很多其他的方法，如：有限元法、N阶法等。这些方法各有优缺点，在应用时要根据实际场合合理地选用。在光子晶体的研究中这些分析方法是十分重要的，由于光子晶体的制备非常困难，通常是先应用这些方法分析得出光子晶体的一些特性，再由试验来验证这些结论。 预言总是很难实现。但是，光子晶体电路和装置的未来看起来却是确信无疑的。五年之内，许多光子晶体的基本应用将会在市场上出现。在这些应用中，将会有高效光子晶体激光发射器和高亮度的发光二极管。而当每个家庭都连接到一个光纤网络的时候，与如今视顶盒类似的解码信号设备将使用光子晶体电路和装置而不是笨重的光纤和硅回路。在五到十年的范围内，我们应该制造出第一个光子晶体二极管和晶体管；在十到十五年里，我们能制造出第一个光子晶体逻辑电路并使之占有主要地位；在接下来的二十五年内，由光子晶体驱动的光子计算机应该可以制造出来。令人惊奇的是，合成蛋白石甚至可以在珠宝和艺术品市场上找到生存环境；并且光子晶体薄膜能贴在信用卡上作为防伪标志。如果我们的预言只是完全不可能实现的对未来的歪曲，我们希望大部分人会忘记我们曾经这样说过。然而，光子晶体的未来看起来还是充满光明的。

中国科大郭光灿院士团队在 光量子芯片研究 中取得重要进展。该团队任希锋研究组与中山大学董建文、浙江大学戴道锌等研究组合作，基于光子能谷霍尔效应，在能谷相关拓扑绝缘体芯片结构中实现了 量子干涉 。

相关成果以“编辑推荐文章 (Editors' Suggestion)”的形式6月11日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。

拓扑光子学 由于具有 鲁棒性 的能量输运性质，在 光子芯片 研究方向具有实用化的应用前景。

产生拓扑相变的关键在于通过破坏系统的时间反演对称性或空间反演对称性，以在能级简并点产生能隙，从而形成受拓扑保护的边界态。

对于空间反演对称性被破坏的系统，在拓扑数不同的区域组成的边界处，能支持能谷相关的方向性传播的边界态模式，即 光子能谷霍尔效应 。

具有不同亚晶格能量的周期排布的六角光子晶体结构可实现这样的能谷光子拓扑绝缘体，从而可用于构建更加紧凑的急剧弯折的光学线路，提高光子芯片的器件集成度和鲁棒性。

近年来 拓扑结构中鲁棒性的量子态传输 成为热门的研究方向，而 量子干涉 作为光量子信息过程的核心，尚未在拓扑保护光子晶体芯片中实现。

任希锋研究组与中山大学董建文课题组合作在硅光子晶体体系中设计并制备出了“鱼叉”形的拓扑分束器结构。

他们发现 六角晶格结构 的光子晶体中的电场相位涡旋方向依赖于不同拓扑陈数的晶格结构以及其所处的能带位置，可以构造出两种不同结构的拓扑边界。

基于能谷相关方向性传输的机理，设计并加工了拐角可达到120度的“鱼叉”形拓扑分束器，并在此结构上演示了高可见度的双光子干涉过程， 干涉可见度达到 。进一步通过级联两个拓扑分束器结构演示了 片上路径编码量子纠缠态 的产生。

该成果为拓扑光子学特别是能谷光子拓扑绝缘体结构应用于更加深入的量子信息处理过程提供了一个新的思路，审稿人一致认为这是一个有趣且重要的研究工作，并给出高度评价：“This is an interesting and important work (这是一个有趣而且重要的工作)”

“I find the results interesting, in particular, the implementation of the HOM effect in this device, which may have implications in high fidelity on-chip quantum information processing (这个结果非常有趣，特别的，器件中实现的HOM干涉过程可能对高保真片上量子信息处理起到重要作用)”。

中科院量子信息重点实验室任希锋教授、中山大学董建文教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室博士生陈阳和中山大学博士后何辛涛为论文共同第一作者，浙江大学戴道锌研究组参与工作。

该工作得到了 科技 部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

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