本文导读:

1,  介绍几篇基于铌酸锂材料的光二极管工作;

2,  Matlab编程求解倍频耦合波方程实现光二极管;

3,  二十年前的科研界对中国很不待见啊;

一聊起光学非互易性、光学隔离器就停不下来,因为这个topic实在是太火了,就在这个月,南京大学现代工程与应用科学学院的夏可宇教授在这方面发表了最新的理论文章,详细情况请看两江科技评论做的报道:。

其实关于光二极管的概念,实在不是什么新概念,基于铌酸锂材料体系的这方面工作更是不胜枚举。由于铌酸锂具有很好的光学非线性和电光可调性,一直以来都是科研的热点,我们公众号也做过了很多次的报道,如,还有,还有今年九月份最新的Nature文章,(这篇文章我没有重复,感觉没啥好重复的,感兴趣的同学可以自学Comsol的案例库马赫曾德尔干涉仪Mach-Zehnder modulator)。而使用铌酸锂材料实现光二极管,南京大学的陆延青老师在这方面有很多的工作,如2010年的OE文章A bidirectional tunable optical diode based on periodically poled LiNbO3。后来中科院的李志远基于陆老师的Phys. Rev. B 82, (2010),利用SPP的损耗,也实现了光二极管的功能,发表在了Chin. Phys. Lett. Vol. 30, No. 9 (2013) 097301上。模数哥今天想介绍的铌酸锂光二极管的工作,是发表在1999年JOSAB上的理论文章,All-optical diode based on second harmonic generationin an asymmetric waveguide,点击文末阅读原文,可以获得文章连接。这篇理论文章到现在的引用次数已有一百多次,而在2001年他们在APL上报道了这个idea的实验文章,All-optical diode in a periodically poled lithium niobate waveguide,引用就达到了330次,算是相当可观了。所以想要追求文章质量和引用次数的小伙伴,赶快卸掉你电脑上的Comsol,去实验室做实验吧。

这篇文章设计的结构其实非常简单,即如上图所示在一个周期极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate,PPLN)波导上引入一个缺陷δL,就是未极化或者多极化了一块。以正向传播的基频波(Fundamental Wave,FW)为例,如果没有该缺陷,该PPLN通过周期性反转非线性系数,可以使得新产生的倍频光(Second Harmonic Generation, SHG)与已产生的倍频光相位相同,则实现FW到SHG能量的完全转化:

而由于在波导的非对称位置引入了一个缺陷(L1:L2 = 1:9),当δL设计合理,则新产生的SHG与已产生SHG相位失配,能量重新从SHG回流到FW,最终FW以90%的比例从右侧出来,如下图中实线(原图Fig.2):

而当FW从右向左传播,由于经过L2后大部分FW已转换成了SHG,虽然有δL的长度引入了相位不连续,但是FW最终的透射率接近为0,即无FW能量出射,如上图虚线。这便实现了FW的光二极管。上图所示的相位信息,也清楚地说明了δL的引入,对基频相位的影响。如果没有该缺陷,则不论是基频还是倍频,其相位会稳定在各自的位子上:

讲到这里,朋友们应该感兴趣,这个δL到底应该设计为多少,才能够实现这种FW的光二极管效应呢?我们不妨对δL引入的相位Δφ做一个参数化扫描,得出其与正向透射FW的关系(原图Fig.4):

至此,这个以PPLN实现基波FW光二极管的理论工作就介绍完了。非常的巧妙,下面是几点点评:

1,缺陷defect一般是一个贬义词,但是对于做物理的人来说,这其实是一个中性词,不能简单地与贬义词联系起来。看似很完美的物理过程,通过引入一个缺陷,可以得到完全不同的新的现象。比如一维光子晶体光学的带阻因缺陷而产生一个非常sharp的透射峰,其实是缺陷的腔效应引起的。

2,从这篇文章的理论工作可以看出,作者是对非线性耦合波方程的求解了熟于心。然而模数哥感到不平的是,该作者一点也没有引用南京大学闵乃本院士团队九十年代在这方面所做的工作,而主要引用了斯坦福大学的M. M. Fejer和L. Byer等人的工作。这说明当年的我国仍然给外界“羸弱”的印象,即使能够做出不错的工作,但是仍然很难被同行们认可。

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