一種具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體及用途
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體及用途，包括一維磁光子晶體和磁光材料缺陷層，一維光子晶體由磁光材料A和各向同性介質(zhì)材料B交替構(gòu)成，位于結(jié)構(gòu)中間位置的磁光材料C為磁光材料缺陷層。其結(jié)構(gòu)為[A/B]m[C][A/B]mA，其中磁光介質(zhì)A的介電張量為εa，xx＝εa，yy＝εa，zz＝1.96，εa，xz＝-εa，zx＝i0.4，εa，xy＝εa，yx＝εa，yz＝εa，zy＝0，厚度da＝69.3nm，介質(zhì)層B的介電常數(shù)為εb＝4，db＝152.8nm，晶格周期為d＝da+db＝222.1nm，缺陷層C的介電張量為εc，xx＝εc，yy＝εa，zz＝1.96，εc，xz＝-εc，zx＝-i0.4，εc，xy＝εc，yx＝εc，yz＝εc，zy＝0，dc＝150nm，m為光子晶體的周期數(shù)，取13。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡(jiǎn)單，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)靈活，在光隔離器、光環(huán)行器等方面有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】一種具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體及用途

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子晶體器件和磁光【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于磁光子晶體非互易特性構(gòu)的缺陷磁光子晶體及用途。

【背景技術(shù)】
[0002]非互易性是指電磁波在某物體中沿相反的兩個(gè)方向傳輸會(huì)呈現(xiàn)不同的電磁損耗、相移等特性。它在隔離器和環(huán)行器中有著廣泛的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這些器件的一般方法是借助于磁光材料的非互易效應(yīng)，讓光波的模式在前向傳輸和后向傳輸之間產(chǎn)生一個(gè)相位偏差，回避了光路的可逆性。傳統(tǒng)的非互易性主要基于磁光材料的塊狀結(jié)構(gòu)，器件體積和重量大、穩(wěn)定性差且不易與其它器件集成等缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)現(xiàn)代信息光電子技術(shù)發(fā)展的需要。近年來(lái)，大量研宄表明磁光子晶體具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在光通信領(lǐng)域中，利用磁光子晶體可以研制多種光通信器件。磁光子晶體為實(shí)現(xiàn)小型化、易于集成的非互易器件提供了一條全新的思路和方法。
[0003]非互易性器件是光子技術(shù)的基本元件之一，在光通信和光學(xué)信息處理方面有著廣泛的應(yīng)用，基于磁光諧振腔的非互易器件(CN101067673A)提出一種含有磁光材料的光學(xué)微諧振結(jié)構(gòu)的隔離器。但需要通過(guò)一側(cè)的光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)，與光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)兩端的輸入端口和輸出端口進(jìn)行功率耦合構(gòu)成，光學(xué)耦合會(huì)有能量損耗，不能實(shí)現(xiàn)全透射。由于一維光子晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、容易制備、便于集成等優(yōu)點(diǎn)，因此利用一維光子晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的處理越來(lái)越引起人們的關(guān)注。根據(jù)光子晶體的特性可知，電磁波在這種具有周期性結(jié)構(gòu)的材料中傳播時(shí)會(huì)受到由電介質(zhì)構(gòu)成周期勢(shì)場(chǎng)的調(diào)制，從而形成類似于半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的光子能帶(photonic band)，光子能帶之間可能會(huì)出現(xiàn)帶隙，即光子帶隙(簡(jiǎn)稱PBG)，頻率落在帶隙內(nèi)的光不能通過(guò)。在完整的光子晶體中引入缺陷，光子禁帶中會(huì)出現(xiàn)缺陷模，可以實(shí)現(xiàn)窄帶濾波。利用含磁光材料缺陷結(jié)構(gòu)的一維磁光子晶體來(lái)達(dá)到破壞時(shí)間反演對(duì)稱和空間對(duì)稱可以實(shí)現(xiàn)超窄帶電磁波的非互易性傳播。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是模型參數(shù)的設(shè)置和電磁波傳播的非互易性，提供了一種具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體和用途。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體，包括一維磁光子晶體和磁光材料缺陷層，其結(jié)構(gòu)為[A/B]m C[A/B]mA，一維光子晶體由磁光材料A和各向同性介質(zhì)材料B交替構(gòu)成，位于結(jié)構(gòu)中間位置的磁光材料C為磁光材料缺陷層。通過(guò)缺陷結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得輸入特定頻率的電磁波實(shí)現(xiàn)單向傳輸，即正向傳輸反向截止，可以有效地實(shí)現(xiàn)光隔離器的功能。
[0006]進(jìn)一步，所述晶體的膜系周期數(shù)m = 13，磁光材料A的介電張量為ea,xx= ε a, yy=ε a,zz= I.96, ε a>xz= - ε a,zx= 1.4, ε a,xy= ε a,yx= ε a,yz= ε a zy=o，厚度 da =69.3nm，各向同性介質(zhì)材料B的介電常數(shù)為ε b= 4，厚度db= 152.8nm，晶格周期為d =da+db= 222.lnm，磁光材料缺陷層C的介電張量介電張量為ε c,xx= ε c>yy= ε a>zz= 1.96,ε CXZ= - ε c,zx=-10.4，ε c xy= ε c yx= ε c yz= ε。,巧=0，厚度(1。= 150nm，背景材料為空氣。本發(fā)明通過(guò)改變?nèi)毕輰拥膶傩?，可以?duì)其它光波波段進(jìn)行非互易傳播，具有良好的可塑性，本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)光波非互易傳播，而且還具有濾波特性。
[0007]進(jìn)一步，所述磁光材料缺陷層所外加磁場(chǎng)方向與一維磁光子晶體磁光材料的外加磁場(chǎng)方向相反。
[0008]進(jìn)一步，所述晶體的工作波長(zhǎng)范圍隨缺陷層的厚度的變化而改變。
[0009]進(jìn)一步，所述晶體能使一定波長(zhǎng)光束從缺陷一維磁光子晶體一側(cè)以一定角度斜入射時(shí)能全透射，而從另一側(cè)反向斜入射則全反射。
[0010]一種具有非互易性特性缺陷磁光子晶體的用途，所述晶體可以用來(lái)設(shè)計(jì)非互易性光通信器件。
[0011]本發(fā)明相對(duì)同類現(xiàn)有研宄，具有以下技術(shù)效果:
[0012](I)本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)光波非互易傳播，而且還具有濾波特性；
[0013](2)本發(fā)明具有良好可塑性。通過(guò)改變?nèi)毕輰拥膶傩?，可以?duì)其它光波波段進(jìn)行非互易傳播，具有良好的可塑性；
[0014](3)本發(fā)明可與其它器件集成化，采用薄膜制備工藝，制備技術(shù)成熟；
[0015](4)本發(fā)明具有很高的光隔離度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1給出缺陷一維磁光子晶體的非互易性結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2給出了磁光缺陷層C的厚度為d。= 140nm，正向入射和反向入射的透射譜；
[0018]圖3給出了磁光缺陷層C的厚度為d。= 150nm，正向入射和反向入射的透射譜；
[0019]圖4給出了磁光缺陷層C的厚度為d。= 160nm，正向入射和反向入射的透射譜；
[0020]圖5為光波正向入射時(shí)一維磁光子晶體中磁場(chǎng)強(qiáng)度Hy的場(chǎng)分布圖；
[0021]圖6為光波反向入射時(shí)一維磁光子晶體中磁場(chǎng)強(qiáng)度Hy的場(chǎng)分布圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步闡明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0023]本發(fā)明，包括周期數(shù)為26的一維光子晶體和一缺陷層構(gòu)成。其中，一維光子晶體由磁光材料和各向同性材料交替構(gòu)成，缺陷層采用一定厚度的磁光材料層，缺陷層位于整個(gè)結(jié)構(gòu)中心的特定模型。本發(fā)明由磁光材料構(gòu)成一維光子晶體缺陷層，同時(shí)一定波長(zhǎng)電磁波以一定角度入射到一維光子晶體一個(gè)側(cè)面在另外一個(gè)側(cè)面輸出，而同樣波長(zhǎng)的電磁波從另一個(gè)側(cè)面反向入射則完全被截止，實(shí)現(xiàn)非互易性傳播的性能。
[0024]如圖1所示，對(duì)一維光子晶體進(jìn)行建模，設(shè)置模型參數(shù)。具體實(shí)施為:在完整的一維磁光子晶體中設(shè)置缺陷層結(jié)構(gòu)形成缺陷一維磁光子晶體，設(shè)計(jì)一種新型一維磁光子晶體非互易性結(jié)構(gòu)。設(shè)置磁光介質(zhì)A的介電張星為ε a,xx= ε a,yy= ε a,zz= 1.96，ε a>xz= - ε a,zx= 1.4, ε a yy= ε a yx= ε a yz= ε a, yy= 0，厚度 d a= 69.3nm，介質(zhì)層 B 的介電常數(shù)為ε b= 4，db= 152.8nm，晶格周期為d = d a+db= 222.lnm，缺陷層C的介電張量介電張量為ε = ε = ε = 1.96， ε = - ε = -10.4，ε = ε = ε = ε
c，XXc，yya, ζζ^ ，C，χζC，ζχ7c, xyc，yxc，yzc，zy=O，d。= 150nm，背景材料為空氣。
[0025]缺陷層米用與光子晶體磁光材料相同的材料，但與施加在磁光子晶體的外加磁場(chǎng)方向剛好相反，使整個(gè)結(jié)構(gòu)時(shí)間反演對(duì)稱性不能滿足，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)非互易性效果。
[0026]本發(fā)明在模型仿真過(guò)程中，采用特征矩陣法，在一定切向波矢分量下，輸入一定頻率范圍的電磁波譜，在光子禁帶中出現(xiàn)缺陷模。如圖2-4所示。研宄不同缺陷層C的厚度對(duì)對(duì)正向入射和反向入射透射譜的影響，實(shí)線代表正向入射透射譜，虛線代表反向入射透射譜。其傳輸譜特性如圖2-4所示，圖2為缺陷層的厚度d。= 140nm，正向入射和反向入射的透射譜，正向入射(實(shí)線表示)和反向入射(虛線表示)的透射波長(zhǎng)分別為775.9nm和768.3nm。圖3為缺陷層的厚度d。= 150nm，正向入射和反向入射的透射譜，正向入射(實(shí)線表示)和反向入射(虛線表示)的波長(zhǎng)分別為781nm和773.4nm。圖4為缺陷層的厚度dc= 160nm，正向入射和反向入射的透射譜，正向入射(實(shí)線表示)和反向入射(虛線表示)的波長(zhǎng)分別為786.5nm和778.7nm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同方向入射出現(xiàn)的缺陷模的波長(zhǎng)不同，該晶體的工作波長(zhǎng)范圍隨缺陷層的厚度的變化而改變。圖5是采用有限元法計(jì)算波長(zhǎng)為781nm、入射角度22.3度的光波正向入射缺陷層C厚度為150nm的一維磁性光子晶體時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度Hy的場(chǎng)分布圖；圖6是采用有限元法計(jì)算波長(zhǎng)為781nm、入射角度22.3度的光波反向入射缺陷層C的厚度為150nm的一維磁光子晶體時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度Hy的場(chǎng)分布圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，晶體能使一定波長(zhǎng)光束從缺陷一維磁光子晶體一側(cè)以一定角度斜入射時(shí)能全透射，而從另一側(cè)反向斜入射則全反射，此種特性可以用來(lái)設(shè)計(jì)非互易性光通信器件。為此，本發(fā)明不僅可以實(shí)現(xiàn)光波非互易傳播，而且還具有濾波特性；本發(fā)明通過(guò)改變?nèi)毕輰拥膶傩裕梢詫?duì)其它光波波段進(jìn)行非互易傳播，具有良好的可塑性；本發(fā)明可與其它器件集成化，采用薄膜制備工藝，制備技術(shù)成熟；本發(fā)明具有很高的光隔離度。
[0027]本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡(jiǎn)單，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)靈活，在光隔離器、光環(huán)行器等方面有廣泛的應(yīng)用前景。
[0028]上述【具體實(shí)施方式】用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體，其特征在于，包括一維磁光子晶體和磁光材料缺陷層，該晶體結(jié)構(gòu)為[A/B]mC[A/B]mA，所述一維光子晶體由磁光材料A和各向同性介質(zhì)材料B交替構(gòu)成，位于結(jié)構(gòu)中間位置的所述磁光材料C為磁光材料缺陷層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體，其特征在于: 所述晶體的膜系周期數(shù)m = 13，所述磁光材料A的介電張量為ea,xx= ε a,yy= ε a,zz=I.96, eaxz=-ε azx=i0.4，ε axy= ε ayx= ε ayz= ε a, zy= O，厚度 d a= 69.3nm ; 所述各向同性介質(zhì)材料B的介電常數(shù)為￡13=4，厚度(113= 152.8nm，晶格周期為d =da+db= 222.1nm ； 所述磁光材料缺陷層C的介電張量為ε C，xx= ε e yy= ε a zz= 1.96，ε ε,χζ=-ε c>zx=-10.4, ε c>xy= ε c yx= ε c yz= ε c zy= O，厚度 d c= 150nm，背景材料為空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體，其特征在于，所述磁光材料缺陷層所外加磁場(chǎng)方向與一維磁光子晶體磁光材料外加磁場(chǎng)方向相反。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體，其特征在于，所述晶體的工作波長(zhǎng)范圍隨缺陷層的厚度的變化而改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體，其特征在于，所述晶體能使一定波長(zhǎng)光束從缺陷一維磁光子晶體一側(cè)以一定角度斜入射時(shí)能全透射，而從另一側(cè)反向斜入射則全反射。
6.一種如權(quán)利要求1所述的具有非互易性特性的缺陷磁光子晶體作為設(shè)計(jì)非互易性光通信器件的用途。
【文檔編號(hào)】G02F1/09GK104483764SQ201410633382
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】高永鋒, 許孝芳, 任乃飛, 周明, 趙瓊?cè)A, 熊劍鳴, 張丁月 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)