Harnessing topology in photonic waveguide systems
Des dels inicis de la fotònica integrada, incomptables aplicacions tecnològiques han aparegut en contexts que van des de comunicacions òptiques a tecnologies quàntiques. Entre aquest ampli paraigua de temes, aquesta tesi està centrada en sistemes de guies d'ona acoblades. Aquests han demostrat...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Fecha de publicación: | 2024 |
| País: | España |
| Institución: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositorio: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglés |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:305553 |
| Acceso en línea: | https://ddd.uab.cat/record/305553 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Guies d'ona Waveguides Guías de onda Topologia Topology Topología Fotònica Photonics Fotónica Ciències Experimentals |
| Sumario: | Des dels inicis de la fotònica integrada, incomptables aplicacions tecnològiques han aparegut en contexts que van des de comunicacions òptiques a tecnologies quàntiques. Entre aquest ampli paraigua de temes, aquesta tesi està centrada en sistemes de guies d'ona acoblades. Aquests han demostrat ser enormement versàtils com a simuladors de sistemes quàntics, l'evolució temporal dels quals és formalment anàloga a la propagació de llum en xarxes de guies d'ona, sent aquesta propagació directament observable amb tècniques d'imatge habituals. A més, les guies d'ona atorguen un medi sòlid per a l'exploració de les intrigants propietats dels aïllants topològics (TIs). La seva resistència inherent envers desordre i imperfeccions és d'alt interès per a aplicacions clàssiques i, especialment, quàntiques. En aquesta direcció, l'objectiu principal de la tesi és estudiar i explotar la topologia de diversos sistemes de guies d'ona acoblades, organitzades en configuracions variades, i combinar-la amb tècniques de diferents camps per crear noves aplicacions fotòniques amb una implementació experimental realista. La primera part està dedicada a introduir el formalisme matemàtic de la propagació de llum en guies òptiques, una descripció de les tècniques més rellevants que utilitzem als nostres treballs, i les idees principals de la topologia. Després, presentem els nostres resultats, els quals dividim en dues categories complementàries. En el primer grup, detallem com la topologia es pot combinar amb Stark-Chirped Rapid-Adiabatic-Passage (SCRAP) i Supersymmetry (SUSY), per produir nous dispositius fotònics. Primer, SCRAP es pot aplicar en guies òptiques per habilitar una transferència eficient de llum entre modes òptics. D'altra banda, SUSY ens dona una forma de controlar el contingut modal de guies individuals i de xarxes de guies. Quan combinem aquestes tècniques s'obtenen diverses aplicacions, com la (de)multiplexació de modes i la preparació fidedigna de modes excitats. Així mateix, es demostra que ambdues tècniques, per si soles, proporcionen una manera d'excitar modes topològics amb gap d'energia en xarxes de guies utilitzant una sola guia com a entrada, simplificant així la complexitat del feix injectat. Altres aplicacions inclouen conversió i transferència de modes entre xarxes diferents. En el segon grup invertim els nostres objectius, centrant-nos a explorar propietats topològiques fonamentals en sistemes de guies òptiques. Primer, proposem una manera de dissenyar TIs sobre xarxes de banda plana (FB) utilitzant impureses localitzades i controlades. El mètode s'exemplifica en una cadena diamant amb flux finit per plaqueta, on aquest flux es relaciona directament amb l'extensió dels estats d'impuresa i, notablement, amb el seu grau de robustesa envers el desordre. Proposem també una implementació experimental utilitzant llum amb moment angular orbital (OAM) en guies, on l'acoblament OAM es comporta com un camp de gauge artificial (AGF) en el sistema. Finalment, dissenyem una estratègia per obtenir arrels d'ordre arbitrari d'un TI utilitzant bucles d'acoblaments unidireccionals. Mitjançant això, generalitzem el concepte d'arrel quadrada d'un TI, introduït recentment, que ha demostrat ser un medi fascinant per explorar nous efectes topològics. Els TI arrel es relacionen amb un sistema pare mitjançant una potència en el seu Hamiltonià. A causa d'això, les arrels hereten les propietats topològiques del pare a la vegada que mostren noves característiques, com una separació de les seves bandes d'energia en branques, i una aparició d'un nou gap anul·lar en el seu espectre complex. Demostrem que els ressonadors fotònics no Hermítics, en els quals la unidireccionalitat de l'acoblament s'aconsegueix mitjançant una distribució no uniforme de guanys i pèrdues, són una plataforma vàlida per a la implementació d'aquests models. Analitzem també de forma exhaustiva la seva robustesa davant desordre i altres inexactituds experimentals. |
|---|