光学超构材料芯片上类比引力的研究进展

光学超构材料是一种人工设计的微结构材料,它的出现打破了传统材料设计思维的局域性,为在微纳尺度上人为调控电磁波提供了新的范式,实现了具有超越自然界常规材料的光学性质.尤其是超构材料具有将光和电磁辐射耦合到亚波长尺度的能力,满足了高速发展的现代科学技术对光学元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求.因此,基于超构材料的光子芯片带来很多令人鼓舞的应用,如突破衍射极限的完美成像、多功能的集成光学器件等.更有意思的是,超构材料光子芯片还可以用来模拟一些广义相对论的现象,尤其是探索一些尚未被实验证实的与引力相关的现象.本文从不同类型的超构材料芯片出发,简要介绍了在光学超构材料芯片上开展的类比引力的研究,最后对其发展现状、优势与面临的挑战进行了相应的总结与展望.     

在类比系统中研究引力和黑洞的性质

引力和量子力学的融合是理解时空起源和引力本质的重要问题,也是一个长期悬而未决的基础物理学根本问题。理论物理学家们对此提出了诸多理论猜想,也做出了许多预言。然而一些相关的预言涉及的效应极其微弱,因此难以通过实验观测加以证实。通过类比引力系统,人们可以将这些引力效应转化为实验室可测可控系统的一些效应。对这些类比系统的研究一方面可以帮助人们更深入地理解引力的性质本身,另一方面也可以为其他相关领域的研究提供启发和新的思路。文章将以几个具体的类比系统为例简要介绍类比引力研究的历史和最近的一些研究进展。     

一般稳态时空中光子的轨道效应

计算了带有电荷和磁荷的旋转场源外部稳态时空中光子的轨道效应. 通过对计算结果的分析, 发现由荷电所引起的光子轨道偏转效应将减小由场源质量所引起的光子轨道偏转效应,但由场源的旋转所引起的相应偏转效应将依赖于场源的旋转方向与光子运动方向之间的夹角. 通过对相应的天体参数的讨论得到了一系列有意义的结果. 关键词： 光子轨道 引力效应 稳态时空     

基于新奇物理现象的智能光子芯片

近年来,新材料结构、新理论观点、新器件架构等各个前沿方向的通力合作促使了智能光子学的迅猛发展。具有优异非线性特性的光学平台奠定了光子芯片丰富性能的基础,非厄米拓扑光子学等新理论的引入为高性能片上处理方案开辟了新的可能性,各类光学神经网络架构的新器件也为全光计算及全光大规模集成提供了有效的实现途径。基于上述背景,文章介绍了近年来对于智能光子学发展至关重要的非线性材料、非厄米拓扑光子学以及基于光学神经网络的新器件架构等领域的研究进展,并指出相关研究的发展对于未来更大规模、更高集成度、更复杂计算性能的智能光子芯片的实现将产生深远影响,在全光计算、全光信号处理、量子技术等领域有广泛的应用前景。     

基于光子集成芯片的可穿戴光纤光栅解调研究

为了实现光纤光栅传感器在可穿戴系统中的应用,提出了一种基于硅基光子集成芯片的可穿戴光纤光栅传感解调系统。基于比利时iSiPP50G工艺的光子集成芯片由4×1长波长VCSEL阵列、1×8阵列波导光栅、2×2 MMI耦合器、4×1光纤光栅耦合器阵列、Ge-on-Si波导光电探测器、直波导和弯曲波导等组成。在完成对VCSEL光源金线键合和光子集成芯片光纤耦合封装的基础上,设计了手环式解调电路,对人体温度和心音信号进行了实时测量。实验结果表明:解调系统的动态波长检测范围为1 540 nm～1 560 nm,波长分辨率为0.08 pm,解调精度为5 pm,温度监测范围为35℃～42℃,误差为±0.1℃;可检测50 Hz～100 Hz频率范围内的心音信号,可识别出第一心音和第二心音,并计算出心动周期、心率、第一心音时限、第二心音时限和心力等特征参数。     

三维光子集成芯片的进展与挑战（特邀）

以光子为信息传输媒介的光子集成芯片,具有高带宽、高速率、高灵敏度等优点,在光通信、光互联、光学传感等领域得到了广泛的研究与应用。为了进一步提高光子集成芯片的集成度、扩展光子集成芯片的功能,在原本二维平面的光子集成芯片的基础上,通过晶圆键合、气相沉积、磁控溅射等方法,制备三维集成光子芯片。利用多层堆叠的方式,使光子集成芯片在厚度上进行拓展,在紧凑的尺寸上,实现大规模集成光子芯片的制备。本文介绍了几种三维光子集成芯片的材料平台与制备工艺,包括单晶硅（c-Si）键合、SiN-on-SOI、非晶硅（a-Si）沉积、多晶硅（p-Si）沉积和聚合物三维光子集成芯片制造平台,结合关键器件与在光互连、光通信、激光雷达等领域的应用,介绍了不同工艺平台的发展现状与挑战。     

二维光子晶体非对称Mach-Zehnder自准直传感器研究

基于自准直效应,通过在二维空气柱型光子晶体非对称Mach-Zehnder干涉仪长臂上设置传感区域,设计了一种自准直传感器.平面波展开法确定了入射光的自准直频率范围,时域有限差分法分析了传感器的灵敏度达到68 nm/RIU,采用单频光入射实现了传感模拟.该传感器完全依赖自准直导光,无需引入任何缺陷波导,大大降低了制作工艺要求,其大小只有十几个微米,能够满足超紧凑、高灵敏度、廉价和无标记的要求.     

二维光子晶体非对称Mach-Zehnder自准直传感器研究

基于自准直效应,通过在二维空气柱型光子晶体非对称Mach-Zehnder干涉仪长臂上设置传感区域,设计了一种自准直传感器.平面波展开法确定了入射光的自准直频率范围,时域有限差分法分析了传感器的灵敏度达到68 nm/RIU,采用单频光入射实现了传感模拟.该传感器完全依赖自准直导光,无需引入任何缺陷波导,大大降低了制作工艺要求,其大小只有十几个微米,能够满足超紧凑、高灵敏度、廉价和无标记的要求.     

光子晶体光纤弯曲损耗特性研究

对光子晶体光纤的损耗特性进行了分析,并在实验上对两种典型的光子带隙型和全内反射型光子晶体光纤进行了研究.分别对两种不同结构的光子晶体光纤在弯曲半径2~15 mm范围内的损耗进行了测量.与传统光纤损耗实验结果的对比表明,两种光子晶体光纤的弯曲损耗均不明显,具有很强的抗弯曲损耗能力.实验也证实了光子晶体光纤弯曲损耗存在临界弯曲半径,在大于临界半径的情况下,几乎没有弯曲损耗.从结构上分析并证明光子晶体光纤弯曲损耗随填充比(d/Λ)的增加而减小,填充比越高弯曲损耗越小.     

用圈量子引力解除Schwarichild-de Sitter黑洞的时空奇点

通过引入圈量子引力中holonomy基本变量的类比变量和采用相应的量子化方法,对Schwarichild-de Sitter黑洞中心附近的引力场进行量子化.分析和计算了黑洞中心附近的1r和曲率标量的谱分布,得到了它们均存在有限上界的结果.通过求解经典时空奇点r=0附近的量子哈密顿约束方程,给出了黑洞波函数在黑洞中心附近的时间演化行为,得到了该波函数可以通过经典奇点进行量子演化的结果.     

新型硅基光子芯片实现光单向无反射传输

2012年11月25日,中国南京大学和美国加州理工学院研究人员在英国《自然—材料》杂志网络版上发表论文称他们设计出一种新型硅基光子芯片,初步实现了光的单向无反射传输,从而拓展了光子晶体及传统超构材料的研究领域,为在经典光系统中探索和发展具有量子特性的新型光子器件提供了新的研究思路。     

UMSCTS中光子回波的研究

对级联三能级系统超快调制光谱学(UMSCTS)中的光子回波进行了研究.当宽带线宽且相对时延τ>0时单光子和双光子四波混频分别对应于三脉冲受激光子回波与和频三能级光子回波.宽带τ＜0时与窄带情形类似. 关键词：     

引力子三顶点与引力自能的曲率激发

基于微扰展开,计算了联络场三点Green函数及单圈引力子自能对量子Wilson圈的贡献.结果表明,引力子三顶点及引力自能将使Einstein引力获得定域曲率的激发.     

诱导引力理论中宇宙场的三次量子化

诱导引力与爱因斯坦引力难以用目前的实验来区分.在研究诱导引力的宇宙量子场论时,通过对宇宙场的三次量子化,发现在希格斯场的真空期待值附近,即使无任何其它物质场存在,宇宙也可以从“无”(nothing)通过量子隧道过程而创生,其创生宇宙遵从Planck分布.但这种从无到有的宇宙创生过程是无法从真空经典爱因斯坦引力理论中得到的. 关键词：     

激光等离子体中多光子非线性Compton散射的光子加速

利用相对论性电子与光子非弹性碰撞模型，研究了激光等离子体中发生多光子非线性Gompton散射时，由于尾波场的作用而引起的散射光子频率的变化。结果表明，光子可以从激光场中获得能量，在光子总数减少的情况下，光子频率增大，光子获得加速。     

异质镜像光子晶体的光子带隙研究

对异质镜像结构光子晶体(ABCCBA)^N进行了研究。首先,利用一维介电体系中处理光传播的方法--传输矩阵法,详细推导了异质镜像光子晶体透射率的计算公式;然后,采用Matlab软件编程仿真并分析了光子带隙形成与镜像周期数目、光子带隙数目与光子晶体薄层厚度、光子带隙位置与入射角大小等的关系。结果表明:光子带隙的形成及变化主要受光子晶体薄层厚度及入射角大小变化的影响。通过改变影响光子晶体光子带隙的参数,可得到不同频段的光子带隙,用来制作高质量反射镜、滤波器和发光二极管等。     

关于相对论、量子论和引力的思考

狭义相对论、广义相对论和宇宙学是关于时空性质和物质分布的关系的理论,也是关于天体和宇宙的理论。     

基于光子晶体光纤关联光子对频谱特性的研究

为了研究光子品体光纤在800 nm波段关联光子对的频谱特性.基于自发四波混频得到了脉冲抽运光产生的光子对的相位匹配函数和频谱甬数.数值计算、证明闲频光中心波长取796 nm时的频谱对称性最好;在假设闲频光频率为单一频率的前提下,利用简化频谱函数的表达式,通过改变光子晶体光纤零色散点色散斜率和非线性系数,以及抽运光的入射中心波长,进一步讨论了抽运光和光子晶体光纤参数变化对信号光和闲频光频谱函数的影响及变化规律.提出了有利于产生高纯度纠缠光子对的光纤参数和抽运光参数,结果对于在800 nm波段发展光子晶体光纤纠缠光子源的实验具有指导和参考意义.     

微光图象光子计数器象管光子增益测试研究

本文介绍了微光图象光子计数器象管的主要构成及其与常规二代微光象增强器的区别.在论述单通道光子计数技术原理的基础上,提出了微光图象光子计数器象管的主要参数-光子增益的测试原理和方法,建立了测试系统.对微光图象光子计数器象管的光子增益进行了实测,并将测试结果与常规二代微光象增强器的亮度增益进行了比较,给出了光子增益的估算公式.