Voigt位型磁光微环腔的模式特性研究

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回音壁模式光学微腔凭借其高品质因子和小模式体积的特点,在腔量子电动力学、激光、传感和非线性光学等现代光子学领域取得了广泛的研究。近年来,随着光子集成的发展,光学微腔因其小尺寸和易集成的特点在片上集成光器件方面展现出了明显的优势。同时,磁光效应作为一种光调制手段,也被广泛地应用于集成化光器件的研究中,尤其是法拉第效应和非互易性相移等一阶磁光效应是众多非互易性光学器件的基础。近年来,微腔和磁光效应的交叉研究逐渐涌现,一方面是对于腔内磁光耦合的理论性研究,另一方面则着眼于硅基磁光微腔非互易性器件的实用型研究。然而,对于Voigt磁场结构下的微环腔模式特性还没有较为深入的研究分析。本文创新性地提出了一种基于Voigt位型结构的磁光微环腔模型,并利用有限元数值仿真方法对腔内的模式特性进行了研究。具体方法是从电磁波Maxwell方程出发,以介电常数张量理论为基础,推导出受磁场作用的回音壁模式所满足的弱形式有限元方程,并利用COMSOL Multiphysics仿真软件的弱解偏微分方程模块分别对径向磁场和竖直方向磁场作用下的微环腔模型进行求解。通过对色散曲线、模式偏振和能量分布等特性的分析,发现在达到耦合条件时,腔内的本征模式会发生强耦合作用,并且该耦合现象具有明显的非互易特性,仅仅存在于一个传播方向。该偏振耦合带来了线偏振光偏振角度的改变以及不同偏振模式间的能量交换。最后,我们将Voigt位型结构的磁光微环腔理论分析结果应用到实际的光器件设计中。根据径向磁场配置下,微环腔内模式耦合导致的偏振模式转换现象,设计出了一种硅基偏振调制器,利用外加磁场强度来实现对输出光偏振角度的控制。另一方面,根据特定尺寸的微环腔在竖直方向磁场配置下,强耦合区间内的偏振模式在正反光传输方向上拥有相同的共振频率和相互垂直的偏振方向的特性,设计出了一种光隔离器。本论文对于Voigt位型结构磁光微环腔的模式特性分析,不仅丰富了磁光微腔的模式耦合理论,还为集成光器件的设计与应用提供了新思路。
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