非互易拓扑光子学

拓扑光子学的提出与发展为从根本物理原理上解决传统光学器件易受干扰的问题提供了新思路,基于拓扑保护的新型鲁棒光场调控极大地提高了光学器件的传输效率和稳健性.其中,基于时间反演对称性破缺的非互易拓扑光子学及其手性拓扑态是拓扑光子学的重要分支,其拓扑特性由非零陈数或陈矢量表征,表现出超越互易拓扑光子学的严格拓扑保护鲁棒性.本综述将重点介绍非互易拓扑光子学在探索新奇物理现象(手性/反手性边界态、反常非互易拓扑边界态、三维光学陈绝缘体、磁性外尔光子晶体等)和构建非互易鲁棒拓扑光学器件(单向光波导、宽带慢光延迟线、任意形状拓扑激光器、大轨道角动量相干光源等)等方面取得的显著成果.最后对非互易拓扑光子学的发展现状、潜在挑战以及可能取得的突破进行了展望.

无磁光学非互易实验教学与设计

作为一种有趣的非线性光学效应,四波混频在众多领域有重要的应用。本文利用四波混频效应实现无磁的光学非互易,分别研究了信号光失谐量、泵浦光光功率和气体池温度等参量对信号光正向和反向传播时透过率的影响。实验结果表明改变这些参量可有效地调控正向透过率,而极低的反向透过率几乎不受影响。该文对于大学物理实验教学具有一定的参考价值。

闭合回路相干增益原子系统中完美非互易反射光放大

高性能非互易光子器件能够有效地提升光量子操控、信息处理以及量子模拟的效率.放大的光信号可以增强并隔离量子系统输出的微弱信号,避免敏感量子系统受反向散射噪声等影响,是高性能光子器件的核心技术.在我们先前的工作(2023 Opt.Express 3138228)中,基于四波混频增益并利用耦合场强度随位置线性变化实现了单向反射光放大的动力学调控.本文巧妙地设计了简单的三能级闭合回路相干增益原子系统,创新性地设置耦合场强度随位置阶梯型变化来破坏极化率空间对称性实现了完美非互易反射光放大.相比之下,耦合场强度阶梯型变化在实验上更容易调节,大大地降低了实验难度.特别地,该系统引入了相位调制.通过改变相位能够切换探测光增益和吸收的频率域,对反射光放大的调节更具灵活性.

基于半导体量子阱中四波混频效应的高效光学非互易

基于半导体量子阱纳米结构中的四波混频效应,提出了一种无磁光学非互易的理论方案.利用实验可得的合适参数,实现了具有高传输率的非互易传输和非互易相移.此外,将这种半导体量子阱纳米结构嵌入马赫-曾德尔干涉仪,选择适当的参数,可以实现隔离比为92.39 dB、插入损耗为0.25 dB的双端口光隔离器,以及保真度为0.9993、光子存活率为0.9518、低插入损耗的四端口光环行器.半导体介质具有更容易集成和参数可调的优势,此方案可以为基于半导体固态介质的非互易性和非互易光子器件的实现提供理论指导.

双腔双光力系统中的光非互易传输特性

光学非互易器件是光学系统中重要的组成部分,例如光隔离器.为了提高这类器件的隔离特性,提出一种双腔双光力系统,系统以两种大小不同的光力耦合强度分别与两光学腔相耦合.该系统在红失谐场的驱动下,通过调控相位差既可以实现光非互易现象,又能决定光在系统中透过与隔离的方向,这种性质来源于光力耦合相互作用和光学腔模耦合之间的量子干涉效应.研究过程中把系统中相关算符用其平均值加各自的相对涨落值来表示,然后由涨落值利用输入-输出关系得到系统的传输振幅,进而得到系统隔离率.讨论了系统隔离率随光力耦合强度变化的分布情况,发现两个力学振子的共同作用能使系统有更高的容错率.该系统通过选用一个品质因数更高的力学振子,能够实现两种特定频率光的较大隔离率,并且同时能够保证共振频率信号的反向传输.

基于科研实践能力培养的结构光学非互易实验教学研究

针对高等教育目标,全方位提升学生科研素质。面向光电信息工程专业,笔者介绍了一套基于科研实践能力培养的结构光学非互易实验方案。本实验将理论与实验结合,深入浅出地介绍原理。通过实验,学生不仅熟悉了光学仪器的功能与使用,也锻炼了数据处理能力。将理论结合实验,既巩固了课堂的知识点,又培养了学生的科研实践动手能力。

基于功率放大器的宽带非互易超表面设计

在电子对抗和无线通信系统中,放大有用电磁信号的同时还需要抑制电磁干扰信号,即需要针对不同类型的电磁信号进行非互易式调控。因此,支持空间电磁波非互易式调控的超表面应运而生。面向电子对抗及无线通信系统的超宽带趋势,非互易超表面不仅需要具备超宽的工作频带,还需要在超宽工作频段内引入阻带,从而避免与现有的窄带通信系统形成干扰。面向上述需求,基于接收、放大和再辐射的方案提出了“贴片-功率放大器-贴片”结构的非互易超表面,该超表面的工作频段为1.0~4.0 GHz,其工作频段与现有的ISM(Industrial Scientific Medical)频段产生干扰。为了避免上述干扰,将耦合结构和短路枝节加载到上述超构单元中,从而在超宽工作频带内引入阻带,最终在1.00~2.11 GHz和2.75~3.95 GHz两个频段范围内实现电磁波的非互易式调控。

关于互易二端口的若干思考

本文首先介绍了当前教材中通行的四种定义互易二端口的方法。作者从互易的含义出发,给出基于端口变量关系的互易二端口定义,并指出这种定义与基于二端口参数的定义是等价的。进而讨论了互易性元件的定义,说明互易定理的实质内容为仅由互易元件构成的二端口一定是互易二端口,并指出这是互易二端口的充分条件。最后还讨论了互易性和无源性之间的关系。

互易定理适用的充要条件

给出互易定理适用于无独立源线性定常网络的充分必要条件

非互易网络的无耗约束条件

该文论述了在非互易条件下,无源无耗网络的各种约束表征:例如,阻抗[Z]矩阵可以存在实部。它并不与能量定律相悖,即在这种情况下,阻抗矩阵中的电阻并不代表损耗,其负阻也不表示有源增益;传输[A]矩阵也反映出|det[A]|=1的似互易特性。文中给出了具体实例。

大规模MIMO时分双工系统的基站天线互易校准算法

对于采用大规模MIMO技术的时分双工系统,基站天线的互易误差会破坏上下行基带信道互易特性,大幅降低系统下行传输性能。考虑到大规模MIMO技术所带来的基站天线间的耦合效应,该文设计了基于总体最小二乘估计的基站天线互易校准算法,以实现对基站的天线互易误差的补偿。该算法以增加计算复杂度为代价,以及通过增加信道测量样本,克服了上下行信道估计误差对现有天线互易误差校准算法的影响。同时,该文通过瑞利商迭代求解降低了该算法的复杂度。若忽略用户天线互易误差,计算机仿真结果表明,该算法相对于现有的基站天线互易误差校正算法,具有1.8 d B左右的性能增益。若考虑用户天线互易误差,该算法相对于已有的算法,具有随信道估计误差方差减小而增大的增益。

双干涉光纤陀螺光纤环温度致非互易性分析

双干涉光纤陀螺是一种新型光纤陀螺,可加倍Sagnac信号,具有轻小型、高信噪比的优点.为改善双干涉光纤陀螺光纤环的温度性能,针对其光路建立了光纤环温度致非互易误差模型,仿真分析了光纤环中90°熔点位置对温度致非互易误差的影响,提出了将90°熔点置于光纤环中点时陀螺的温度致非互易误差将显著减小,并进行了实验验证,实验结果与理论分析相符.结果表明将90°熔点置于光纤环中点可使双干涉光纤陀螺的温度致非互易误差降低为原来的1/400.

加速度传感器互易校准的新方法

在传统的加速度传感器互易校准的基础上 ,提出了一种新的互易校准方法。该方法采用任意激励方式求取灵敏度比 γ1,从而大大地降低了传统互易校准方法对计量设备与校准技术的要求 。

互易双口的Pi形等效电路仿真

用电路仿真手段揭示互易双口电阻参数矩阵的性质,并讨论将互易双口简化为Pi形等效电路的方法,给出了简化步骤及判据。实践证明,通过仿真实验学习互易双口性质,可以降低学习难度,增强学习者对互易双口性质的感性认识,学习者能更加深刻地掌握互易双口的本质特征并加以灵活应用。

基于互易螺旋理论的无奇异完全各向同性移动并联机构型综合

基于互易螺旋理论提出一种无奇异完全各向同性纯移动并联机构型综合的系统方法。首先给出机构末端操作器输出运动的矩阵表达式,然后根据该表达式正雅可比矩阵为非零对角阵的条件确定出机构支路驱动螺旋的表达形式,并依据驱动螺旋与主动螺旋互易积为非零常数的条件确定出主动螺旋的形式,再根据驱动螺旋与同一分支中除主动螺旋外的所有其他运动螺旋互易积都为零的特点,确定出可动非驱动螺旋的类型及其轴线方向,从而按照机构分支连接度的不同进行机构支路的型综合。最后取3条所综合出的机构支路将动平台与静平台联接起来即可得到所期望的机构。最后对一种新型3-CRP无奇异完全各向同性移动并联机构进行运动学分析。结果表明,所提出的型综合方法正确可行。

准互易光学电压互感器数字闭环信号处理方法

介绍了一种用于准互易光学电压互感器的数字闭环信号处理方法。根据互感器光路输出信号的特点,采用基于方波调制解调的数字相关检测技术,提高了系统的响应灵敏度。在此基础上,引入阶梯波反馈技术,通过相位调制器在两束相干偏振光间引入一个与晶体Pockels相移大小相等、方向相反的反馈相移,实现闭环检测,扩大了动态范围,且不依赖于传感晶体的半波电压。基于数字闭环信号处理方法的互感器在0～3000 V直流电压和0～4000 V工频交流电压测试结果表明:互感器数字输出具有良好的线性关系;直流电压高于800 V时,互感器测量精度优于±0.89%,工频交流电压大于25 V和大于690 V时,互感器测量精度分别优于±0.44%和±0.2%。实验结果验证了该数字闭环信号处理方法的可行性。

光纤环的热致非互易性噪声理论与实验研究

研究了光纤环非稳态传热过程中的非互易相位噪声特性。根据光纤陀螺在实际应用中环境温度的干扰,通过有限差分法,建立了光纤环时变温度场分布模型,对光纤环在非稳态传热过程中的温度场进行了模拟分析。在此基础上,针对不同绕制结构的光纤环,对其温度漂移进行了数值模拟和比较。实验表明,交叉子绕线方案能更好地抑制光纤环热致非互易噪声的影响,从而能提高干涉型光纤陀螺的长期漂移精度。

共线型声光可调谐滤波器非互易效应研究

通过创建超声频率与衍射效率的动态方程,分析了声光器件在不同射频驱动频率下衍射效率的分布情况,并给出相应表达式.提出了在100MHz射频处也存在与高于1GHz处类似非互易现象.进一步通过比例系数δF/ΔF的引入,在此基础上分别利用波长532nm和632.8nm激光器,在二氧化碲晶体中进行非互易效应实验.实验得到传输带宽改变达到总衍射带宽的50%～60%,与理论计算值基本吻合.研究结果表明,实际中可将非互易效应大规模应用于包括定向耦合器(光路由器)在内的光电器件的开发.

含孔薄板弯曲波动的双互易边界元法

采用双互易边界元法对开孔无限大薄板弹性波的散射与动应力集中问题进行理论分析和数值计算.基于功的互等定理,采用静力基本解建立了薄板弯曲波动问题的双互易边界积分方程.作为数值算例,计算了圆孔附近的动应力集中系数,通过与已有结果进行比较,表明该方法简单有效并能够保证计算精度.

平面波耦合腔中热传导和声泄漏对低频互易校准的影响

针对低频耦合腔互易校准中存在的热传导和声泄漏问题，通过理论计算和不同长度耦合腔的系列实验研究，探讨其对互易校准结果的影响规律。首先阐述了互易校准原理及电容传声器低频时的频响特征，传声器均压孔在声场外时，低频声压灵敏度随着频率降低而逐渐增加；其次，对发射传声器-耦合腔一接收传声器构成的耦合腔系统中的热传导修正因子进行计算，结果表明，随着耦合腔长度变长，热传导修正因子变小，不确定度分量变小；通过不同长度的耦合腔组成的互易校准系统研究声泄漏的影响并探讨其优化方案，实验结果表明，10mm和15mm耦合腔对互易校准结果影响较小，重复性高，该实验结果与传声器的低频响应特性一致。