Supersymmetry and topology in coupled optical waveguides
La integració de tots els components bàsics per a la generació, manipulació i detecció de llum en xips òptics està impulsant avenços científics i tecnològics, per exemple, en el desenvolupament de tecnologies de la informació o de dispositius de detecció per a les tecnologies quàntiques. Degut a la...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2020 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:240944 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/240944 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Guies d'ona òptiques Supersimetria Topologia Guías de onda ópticas Optical waveguides Supersimetría Supersymmetry Topología Topology Ciències Experimentals |
| Sumario: | La integració de tots els components bàsics per a la generació, manipulació i detecció de llum en xips òptics està impulsant avenços científics i tecnològics, per exemple, en el desenvolupament de tecnologies de la informació o de dispositius de detecció per a les tecnologies quàntiques. Degut a la seva flexibilitat, escalabilitat i la possibilitat d'observar directament l'evolució de la funció d'ona utilitzant senzilles tècniques de tractament d'imatges, les estructures fotòniques integrades són una plataforma ideal per a la simulació quàntica, és a dir, per emular fenòmens quàntics que apareixen en altres branques de la física. A més, aquestes analogies òptiques-quàntiques també permeten dissenyar circuits fotònics integrats amb propietats excepcionals. En aquesta tesi aprofitem propietats no trivials de la física quàntica per dissenyar nous dispositius fotònics integrats amb funcionalitats avançades i rendiments millorats, així com nous simuladors fotònics. Específicament, explotem les similituds entre les equacions de Helmholtz i de Schrödinger, que permeten reproduir la dinàmica temporal d'una partícula atrapada en un potencial periòdic amb l'evolució espacial de la llum propagant-se en guies d'ona acoblades, per aplicar transformacions supersimètriques i processos adiabàtics així com explorar geometries topològiques no trivials en sistemes de guies d'ona òptiques acoblades. En aquesta línia, la primera part de la tesi està dedicada a introduir els conceptes físics i matemàtics que descriuen les guies d'ona òptiques acoblades, les analogies òptiques-quàntiques i la supersimetria en òptica. La segona part de la tesi engloba el disseny de nous dispositius fotònics integrats combinant l'aplicació de transformacions supersimètriques per manipular modes espacials amb tècniques de passatge adiabàtic per introduir la robustesa. Primer presentem un nou mètode per a la multiplexació de modes espacials basat en guies d'ona supersimetriques, que filtren els modes, en combinació amb la tècnica de passatge adiabàtic espacial que es fa servir per transmetre eficient i robustament els modes escollits entre guies. De manera similar, mantenint-nos en la idea d'aplicar protocols d'enginyeria quàntica per dissenyar nous dispositius fotònics amb rendiments millorats, proposem connectar de manera adiabàtica estructures supersimètriques al llarg de la distància de propagació. En particular, aquesta tècnica l'utilitzem per dissenyar guies d'ona còniques, filtres de modes, divisors de feixos i interferòmetres, eficients i robustos. Finalment, la tercera part de la tesi està dedicada a la simulació de diferents fenòmens quàntics utilitzant sistemes fotònics. Per començar aquesta part, explorem els efectes que les transformacions supersimètriques indueixen en sistemes amb propietats topologies no trivials, les quals estan intrínsecament lligades a les simetries internes del sistema. Amb aquest objectiu, considerem el sistema més simple amb propietats topològiques no trivials i demostrem en sistemes de guies d'ona acoblades com la protecció topològica d'un estat pot ser suspesa i restablerta utilitzant transformacions supersimètriques. A més, per accedir a aquestes fases topològiques no trivials, un element clau és la introducció de camps artificials gauge (AGF) que controlen la dinàmica de partícules no carregades que d'una altra manera eludeixen la influència dels camps electromagnètics estàndards. En aquesta línia, investiguem la possibilitat d'induir AGF utilitzant llum amb moment orbital angular en comptes de manipular la geometria del sistema. Específicament, mesurem l'efecte de gàbia d'Aharonov-Bohm que està lligat amb la presència d'un camp magnètic. Aquesta tècnica permet accedir a diferent règims topològics en una sola estructura, un pas important per a la simulació quàntica utilitzant sistemes fotònics. |
|---|