專利名稱：利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)器件，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，可通 過(guò)減小光波(電磁波)的能量傳播速度實(shí)現(xiàn)光延遲和光存儲(chǔ)等技術(shù)，對(duì)未來(lái)實(shí)現(xiàn)全光分組 交換網(wǎng)絡(luò)和大容量光信息存儲(chǔ)有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。
背景技術(shù)：
光波導(dǎo)在通信領(lǐng)域中具有很大的應(yīng)用前景。其傳輸原理是利用不同折射率的介 質(zhì)分界面上光波的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。常用光波導(dǎo) 有光纖、薄膜波導(dǎo)、帶狀波導(dǎo)等不同種類，可用于信號(hào)傳輸、制作耦合器、延遲器、分 配器等。通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)光波導(dǎo)的功能提出的更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)光延遲與光存儲(chǔ)功能的光波導(dǎo)，該波導(dǎo)為兩 層介質(zhì)圓柱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可降低光波的能量傳播速度，實(shí)現(xiàn)光延遲，并且可使不同波長(zhǎng)的 光波停滯于波導(dǎo)內(nèi)的不同位置，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)光信號(hào)的分離存儲(chǔ)功能。技術(shù)方案本發(fā)明所述的利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)，為普通介質(zhì)圓柱外包裹 一定厚度的非磁性人工電磁介質(zhì)構(gòu)成的圓柱介質(zhì)波導(dǎo)。人工電磁介質(zhì)中有一類具有負(fù)介 電常數(shù)或負(fù)折射率的特性，在滿足一定參數(shù)條件的情況下，該波導(dǎo)內(nèi)電磁波色散曲線不 同于普通介質(zhì)波導(dǎo)，存在簡(jiǎn)并的正向波和反向波模式。光波的能量傳播速度(群速度)在 簡(jiǎn)并點(diǎn)附近非常小，在簡(jiǎn)并點(diǎn)處則為零。將波導(dǎo)中心圓柱設(shè)計(jì)為半徑漸變的椎體結(jié)構(gòu)， 光波從直徑較大一端向直徑較小的一端傳輸，隨著中心圓柱半徑的減小，光波能量速度 逐漸趨于零，即光波越傳越慢，從而實(shí)現(xiàn)光延遲功能。當(dāng)光波行至中心圓柱半徑等于簡(jiǎn) 并點(diǎn)半徑處，光能量被擠壓并停滯于該點(diǎn)，因此可實(shí)現(xiàn)能量和信息存儲(chǔ)功能，并可衍生 能量耦合等其他功能。由于不同波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)并點(diǎn)半徑不同，因此它們?cè)诓▽?dǎo)內(nèi)停留 的位置也不同，從而可分離不同波長(zhǎng)信號(hào)，提高信息存儲(chǔ)效率。人工電磁介質(zhì)的制作和實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，電磁參數(shù)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可人工調(diào) 控。以多層二氧化硅-銀薄膜結(jié)構(gòu)為例，調(diào)整二氧化硅薄片與銀薄片的厚度比，可制備 出在光波段相對(duì)介電常數(shù)從-0.1變化至-10的人工電磁介質(zhì)。另外，金屬等自然物質(zhì)在 一定波長(zhǎng)下也表現(xiàn)出負(fù)介電常數(shù)特性，例如在光波段，銀的介電常數(shù)為負(fù)值。因此，可 通過(guò)人工調(diào)控的方法，設(shè)計(jì)制備出可用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所提出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的人工電磁介質(zhì)。本發(fā)明的光波導(dǎo)要求人工電磁介質(zhì)的切向相對(duì)介電常數(shù)與普通介質(zhì)的相對(duì)介電 常數(shù)的比值大于-0.2，由此設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)能夠?qū)崿F(xiàn)慢光延遲現(xiàn)象。根據(jù)工作波長(zhǎng)即可確 定光波在波導(dǎo)中停滯時(shí)對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)直徑，該直徑必須介于所設(shè)計(jì)的光波導(dǎo)較大直徑與較 小直徑之間。根據(jù)此規(guī)則設(shè)計(jì)出的光波導(dǎo)即可實(shí)現(xiàn)慢光延遲與光信息存儲(chǔ)功能。有益效果本發(fā)明利用人工電磁介質(zhì)制作光波導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)光延遲與光信息存儲(chǔ) 功能，且能分離不同波長(zhǎng)的光波；該光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)方式簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)和操作。


圖1是本發(fā)明的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的光波導(dǎo)縱向剖視圖。圖3是使用電磁波仿真軟件獲取的本發(fā)明光波導(dǎo)中電場(chǎng)幅值分布縱向剖視圖。圖4是本發(fā)明中涉及的利用二氧化硅_銀薄膜多層結(jié)構(gòu)組成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。圖5是用電磁波仿真軟件獲取的圖4所示波導(dǎo)中的電場(chǎng)幅值分布縱向剖視圖。圖6是本發(fā)明中涉及的利用銀和普通介質(zhì)組成的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。圖7是用電磁波仿真軟件獲取的圖6所示波導(dǎo)中的電場(chǎng)幅值分布縱向剖視圖。圖中1.光信號(hào)入射端，2.人工電磁介質(zhì)，3.普通介質(zhì)，4.光信號(hào)出射端。在所有的上述附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示具有相同、相似或相應(yīng)的特征或功能。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1 :參照?qǐng)D1 3，普通介質(zhì)(3)為空氣，人工電磁介質(zhì)(2)切向介電常 數(shù)為-0.10，徑向介電常數(shù)為-0.30，波導(dǎo)長(zhǎng)度為38.0μιη，切向圓直徑為5.0μιη，入射 端(1)處普通介質(zhì)(3)的切向圓直徑為1.0 μ m，出射端(4)處普通介質(zhì)的切向圓直徑為 0.5 μ m。上述波導(dǎo)的性能經(jīng)過(guò)OptiFDTD電磁全波仿真軟件仿真驗(yàn)證。中心波長(zhǎng)為500nm 的光波包由入射端(1)進(jìn)入該光波導(dǎo)，傳播速度隨中心圓柱直徑減小逐漸減慢，波包的 空間分布被壓縮，最終停留在普通介質(zhì)(3)切向圓直徑為0.706μιη的位置處，距入射端 22.400 μ m。非500nm中心波長(zhǎng)的波包則無(wú)法在此處停留，例如波長(zhǎng)為700nm的光波包 進(jìn)入該光波導(dǎo)后將會(huì)停留在切向圓直徑為0.988 μ m的位置處。調(diào)節(jié)波導(dǎo)的長(zhǎng)度可以改變 波包在其中的傳播延時(shí)，在特定位置設(shè)定耦合裝置則可以提取出所需信號(hào)。實(shí)施例2:參照?qǐng)D4 5，普通介質(zhì)(3)為二氧化硅，介電常數(shù)為3.90，人工 電磁介質(zhì)(2)為多層二氧化硅-銀薄片，二氧化硅與銀的厚度比為1 3，入射波長(zhǎng)為 354nm,其等效切向介電常數(shù)為-0.528，縱向介電常數(shù)為-3.207。波導(dǎo)長(zhǎng)度為8.5μιη，切 向圓直徑為1.2 μ m，入射端(1)處普通介質(zhì)(3)的切向圓直徑為0.320 μ m，出射端(4)處 普通介質(zhì)的切向圓直徑為0.220 μ m。中心波長(zhǎng)為354nm的光波包由入射端(1)進(jìn)入該光 波導(dǎo)后最終停留在普通介質(zhì)(3)切向圓直徑為0.268 μ m的位置處，距入射端4.460 μ m。實(shí)施例3 參照?qǐng)D6 7，普通介質(zhì)(3)為二氧化鈦，介電常數(shù)為19.0，人工電 磁介質(zhì)(2)為金屬銀，介電常數(shù)為-1.481，入射波長(zhǎng)為344nm。波導(dǎo)長(zhǎng)度為ΙΟ.Ομιη， 切向圓直徑為0.660 μ m，入射端(1)處普通介質(zhì)(3)的切向圓直徑為0.164 μ m，出射 端⑷處普通介質(zhì)的切向圓直徑為0.098 μ m。中心波長(zhǎng)為344nm的光波包由入射端(1) 進(jìn)入該光波導(dǎo)后最終停留在普通介質(zhì)(3)切向圓直徑為0.106μιη的位置處，距入射端 3.160 μ m。
權(quán)利要求
1.一種利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)，其特征是該光波導(dǎo)為普通介質(zhì)(3)圓柱外包裹一 定厚度的人工電磁介質(zhì)(2)的圓柱介質(zhì)波導(dǎo)，中心圓柱為半徑漸變的椎體結(jié)構(gòu)，光波從 直徑較大一端向直徑較小的一端傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)，其特征是人工電磁介質(zhì)(2)的 切向相對(duì)介電常數(shù)與普通介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)比值大于-0.2，可用多層二氧化硅-銀薄膜 制備，或利用銀在光波段介電常數(shù)為負(fù)值的特性制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)，其特征是中心圓柱錐體結(jié)構(gòu)的 直徑變化范圍必須包含確定工作波長(zhǎng)的光波在波導(dǎo)中停滯時(shí)對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)直徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用人工電磁介質(zhì)的光波導(dǎo)器件。該波導(dǎo)為一段普通介質(zhì)圓柱外包裹一定厚度的人工電磁介質(zhì)，形成圓柱介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，中心圓柱為半徑漸變的椎體結(jié)構(gòu)，光波(電磁波)由較寬端入射。利用人工電磁介質(zhì)所具備的負(fù)折射率或負(fù)介電常數(shù)特性，該波導(dǎo)可降低光波能量傳播的速度(群速度)，實(shí)現(xiàn)慢光傳播甚至光停滯。這種光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的延遲與信息存儲(chǔ)。不同波長(zhǎng)的光波信號(hào)在波導(dǎo)內(nèi)停滯的位置不同，從而可分離不同波長(zhǎng)的信號(hào)，提高信息存儲(chǔ)效率。
文檔編號(hào)G02B6/10GK102012537SQ20101026635
公開日2011年4月13日 申請(qǐng)日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者馮一軍, 姜田, 張奇 申請(qǐng)人:南京大學(xué)