Desde los inicios de la fotónica integrada, incontables aplicaciones tecnológicas han aparecido en contextos que van desde comunicaciones ópticas a tecnologías cuánticas. Entre ese amplio paraguas de temas, esta tesis se centra en sistemas de guías de onda acopladas. Éstos han demostrado ser enormemente versátiles como simuladores de sistemas cuánticos, cuya evolución temporal es formalmente análoga a la propagación de luz en redes de guías de onda, siendo esta propagación directamente observable con técnicas de imagen habituales. Además, las guías de onda ofrecen un medio sólido para la exploración de las intrigantes propiedades de los aislantes topológicos (TIs). Su inherente resistencia frente a desorden e imperfecciones es de alto interés para aplicaciones clásicas y, en especial, cuánticas. En esta dirección, el objetivo principal de la tesis es estudiar y explotar la topología de varios sistemas en guías de onda acopladas, organizadas en configuraciones diversas, y combinarla con técnicas de varios campos para crear aplicaciones fotónicas novedosas con una implementación experimental realista. La primera parte de la tesis está dedicada a introducir el formalismo matemático de la propagación de luz en guías ópticas, una descripción de las técnicas más relevantes que se utilizan en nuestros trabajos, y las ideas principales de la topología. Después, presentamos nuestros resultados, los cuales dividimos en dos categorías complementarias. En el primer grupo, detallamos cómo la topología puede combinarse con Stark-Chirped Rapid-Adiabatic-Passage (SCRAP) y Supersymmetry (SUSY), para producir nuevos dispositivos fotónicos. Primero, SCRAP puede aplicarse en guías ópticas para habilitar una transferencia eficiente de luz entre modos ópticos. Por otro lado, SUSY nos da una forma de controlar el contenido modal de guías individuales y de redes de guías. Al combinar ambas técnicas se obtienen varias aplicaciones, como la (de)multiplexación de modos y la preparación fidedigna de modos excitados. Asimismo, se demuestra que ambas técnicas, por si solas, proporcionan una manera de excitar modos topológicos con gap de energía en redes de guías utilizando una sola guía como entrada, simplificando así la complejidad del haz inyectado. Otras aplicaciones incluyen conversión y transferencia de modos entre redes diferentes. En el segundo grupo invertimos nuestros objetivos, centrándonos en explorar propiedades topológicas fundamentales en sistemas de guías ópticas. Primero, proponemos una manera de diseñar TIs sobre redes de banda plana (FB) utilizando impurezas localizadas y controladas. El método se ejemplifica en una cadena diamante con flujo finito por plaqueta, donde dicho flujo se relaciona directamente con la extensión de los estados de impureza y, notablemente, con su grado de robustez frente al desorden. Proponemos también una implementación experimental usando luz con momento angular orbital (OAM) en guías, donde el acoplamiento OAM se comporta como un campo de gauge artificial (AGF) en el sistema. Por último, diseñamos una estrategia para obtener raíces de orden arbitrario de un TI utilizando bucles de acoplamientos unidireccionales. Con ello, generalizamos el concepto de raíz cuadrada de un TI, introducido recientemente, que ha demostrado ser un medio fascinante para explorar nuevos efectos topológicos. Los TI raíz se relacionan con un sistema padre mediante una potencia en su Hamiltoniano. Debido a ello, las raíces heredan las propiedades topológicas del padre a la vez que muestran nuevas características, como una separación de sus bandas de energía en ramas y una aparición de un novedoso gap anular en su espectro complejo. Demostramos que los resonadores fotónicos no Hermíticos, en los que la unidireccionalidad del acoplamiento se consigue mediante una distribución no uniforme de ganancias y pérdidas, son una plataforma válida para la implementación de dichos modelos. Analizamos también de forma exhaustiva su robustez ante desorden y otras inexactitudes experimentales.
Harnessing topology in photonic waveguide systems
Viedma Palomo, D. (Autor/a). 15 nov 2024
Tesis doctoral