基于零折射率超材料的光子器件设计和性能研究

摘要

在电磁超材料中零折射率超材料，包括介电常数接近零的材料 (epsilon-near-zero material，ENZ)、磁导率近零的材料(mu-near-zero material，MNZ)、介电常数和磁导率同时近零的材料(mu-epsilon-near-zero material，MENZ) 以及各向异性零折射率材料，因其奇异的性质如隧穿效应、高指向辐射效应、相位裁剪效应等而在近年来无论是在基础研究领域还是在应用研究领域都受到广泛的关注。 本文对零折射率材料的传输性质的影响因素、调控手段及器件的设计方法展开了讨论，具体内容如下： 一、零折射率材料复合结构的传输性质的影响因素 1、研究了空气狭缝对含缺陷的 ENZ 结构的传输性质的影响。在狭缝隔断含缺陷的ENZ 结构的前后，复合结构的透射性质发生了突变，透射率显著下降，并且对空气狭缝的位置和厚度变得敏感。这种突变性质可用于设计高灵敏度的位移传感器。 2、研究了波导壁上的孔洞对三维MENZ波导的传输性质的影响。只要孔洞没有破坏波导壁完美电导体/完美磁导体从入射端到出射端的连通性，电磁波都会绕开这些孔洞并完全透过MENZ波导，实现电磁波的边界渗流。三维MENZ波导在一个开放的环境中依然有很好的传输性能。 3、进一步，研究了电磁波在MENZ和ENZ所形成的二维波导中的传输性质。在MENZ从入射端到出射端连通的前提下，电磁波可以自发地绕开ENZ，并且经由MENZ完全透过这个波导，实现了电磁波在二维结构中的渗流。利用电磁波的渗流，我们实现了含杂质的 MENZ 波导的透射性质的增强。我们还发现声波在含多个填充声学体弹性模量倒数近零超材料孔的声学双零超材料波导中也有类似的渗流现象。我们的工作突破了零折射率材料的渗流现象只会出现在三维矢量波系统的局限。 二、零折射率材料的传输性质的调控手段及相应的器件设计 1、讨论了外加磁场对零折射率材料的传输性质的调控，并且构建了磁控MENZ波导和磁控MNZ波导。这两个磁控波导的透射率大幅度且敏感地受偏置磁场的调控，可以实现高灵敏度的开关、调制器以及磁场传感器的功能。磁控MNZ波导在一个更宽的频率范围内对偏置磁场更灵敏地响应，且保持较大的调控幅度，可以用作可调的带通滤波器。 2、通过磁化的ENZ和金属构建了一个星形结构，研究了这个星形结构中的单向表面波的传播模态对外加磁场的响应。并用两个镜像对称的星形结构提出了构建调制器的设计方案，有效地实现了磁信号的调制。我们利用磁化ENZ单向传输以及不产生体模的性质，有效地避免了反射波及边散射波对周围器件的影响，为在光集成系统中的应用提供了可能。 三、基于多通道零折射率材料的器件设计 1、提出了由零折射率材料构成的阀门结构来操控电磁波传输的设计思路。利用电磁波在控制端的多重反射，在不改变零折射率材料内禀性质的情况下，有效且便利地操控了电磁波的传输。基于这个阀门结构的原理，我们构建了可调的各向异性ENZ弯曲波导，面积不受限制的各向同性ENZ波导以及极化不受限制的MENZ波导。 2、通过三端口的零折射率材料实现了相位解调器中的干涉仪的功能。分别讨论了零折射率材料为MENZ、ENZ时，干涉仪的性能。并提出通过减小ENZ面积、引入缺陷、使用各向异性ENZ等方法补偿由于ENZ的阻抗失配所引起的干涉仪性能下降的思路。 3、我们还研究了声波在三维多通道零折射率材料结点中的传播性质，声波在这个零折射率材料结点的传播不受通道在三维空间中的方向及横截面的形状的影响。基此，提出了三维空间中声波的分束器、不同截面波导耦合器以及声波解调器中的干涉仪的设计方案。

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