一种具有非互易性特性的缺陷磁光子晶体及用途

摘要

本发明公开了一种具有非互易性特性的缺陷磁光子晶体及用途，包括一维磁光子晶体和磁光材料缺陷层，一维光子晶体由磁光材料A和各向同性介质材料B交替构成，位于结构中间位置的磁光材料C为磁光材料缺陷层。其结构为[A/B]

说明书

技术领域

本发明涉及光子晶体器件和磁光技术领域，特别涉及一种基于磁光子晶体非互易特性构的缺陷磁光子晶体及用途。

背景技术

非互易性是指电磁波在某物体中沿相反的两个方向传输会呈现不同的电磁损耗、相移等特性。它在隔离器和环行器中有着广泛的应用。实现这些器件的一般方法是借助于磁光材料的非互易效应，让光波的模式在前向传输和后向传输之间产生一个相位偏差，回避了光路的可逆性。传统的非互易性主要基于磁光材料的块状结构，器件体积和重量大、稳定性差且不易与其它器件集成等缺点，已不能适应现代信息光电子技术发展的需要。近年来，大量研究表明磁光子晶体具有广阔的应用前景，特别是在光通信领域中，利用磁光子晶体可以研制多种光通信器件。磁光子晶体为实现小型化、易于集成的非互易器件提供了一条全新的思路和方法。

非互易性器件是光子技术的基本元件之一，在光通信和光学信息处理方面有着广泛的应用，基于磁光谐振腔的非互易器件(CN101067673A)提出一种含有磁光材料的光学微谐振结构的隔离器。但需要通过一侧的光学耦合结构，与光学耦合结构两端的输入端口和输出端口进行功率耦合构成，光学耦合会有能量损耗，不能实现全透射。由于一维光子晶体结构简单、可靠性好、容易制备、便于集成等优点，因此利用一维光子晶体来实现对光信号的处理越来越引起人们的关注。根据光子晶体的特性可知，电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成周期势场的调制，从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)，光子能带之间可能会出现带隙，即光子带隙(简称PBG)，频率落在带隙内的光不能通过。在完整的光子晶体中引入缺陷，光子禁带中会出现缺陷模，可以实现窄带滤波。利用含磁光材料缺陷结构的一维磁光子晶体来达到破坏时间反演对称和空间对称可以实现超窄带电磁波的非互易性传播。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是模型参数的设置和电磁波传播的非互易性，提供了一种具有非互易性特性的缺陷磁光子晶体和用途。

本发明的技术方案为：一种具有非互易性特性的缺陷磁光子晶体，包括一维磁光子晶体和磁光材料缺陷层，其结构为[A/B]_m C[A/B]_mA，一维光子晶体由磁光材料A和各向同性介质材料B交替构成，位于结构中间位置的磁光材料C为磁光材料缺陷层。通过缺陷结构的设计，使得输入特定频率的电磁波实现单向传输，即正向传输反向截止，可以有效地实现光隔离器的功能。

进一步，所述晶体的膜系周期数m＝13，磁光材料A的介电张量为ε_a，xx＝ε_a，yy＝ε_a，zz＝1.96，ε_a，xz＝-ε_a，zx＝i0.4，ε_a，xy＝ε_a，yx＝ε_a，yz＝ε_a，zy＝0，厚度d_a＝69.3nm，各向同性介质材料B的介电常数为ε_b＝4，厚度d_b＝152.8nm，晶格周期为d＝d_a+d_b＝222.1nm，磁光材料缺陷层C的介电张量介电张量为ε_c，xx＝ε_c，yy＝ε_a，zz＝1.96，ε_c，xz＝-ε_c，zx＝-i0.4，ε_c，xy＝ε_c，yx＝ε_c，yz＝ε_c，zy＝0，厚度d_c＝150nm，背景材料为空气。本发明通过改变缺陷层的属性，可以对其它光波波段进行非互易传播，具有良好的可塑性，本发明不仅可以实现光波非互易传播，而且还具有滤波特性。

进一步，所述磁光材料缺陷层所外加磁场方向与一维磁光子晶体磁光材料的外加磁场方向相反。

进一步，所述晶体的工作波长范围随缺陷层的厚度的变化而改变。

进一步，所述晶体能使一定波长光束从缺陷一维磁光子晶体一侧以一定角度斜入射时能全透射，而从另一侧反向斜入射则全反射。

一种具有非互易性特性缺陷磁光子晶体的用途，所述晶体可以用来设计非互易性光通信器件。

本发明相对同类现有研究，具有以下技术效果：

(1)本发明不仅可以实现光波非互易传播，而且还具有滤波特性；

(2)本发明具有良好可塑性。通过改变缺陷层的属性，可以对其它光波波段进行非互易传播，具有良好的可塑性；

(3)本发明可与其它器件集成化，采用薄膜制备工艺，制备技术成熟；

(4)本发明具有很高的光隔离度。

附图说明

图1给出缺陷一维磁光子晶体的非互易性结构示意图；

图2给出了磁光缺陷层C的厚度为d_c＝140nm，正向入射和反向入射的透射谱；

图3给出了磁光缺陷层C的厚度为d_c＝150nm，正向入射和反向入射的透射谱；

图4给出了磁光缺陷层C的厚度为d_c＝160nm，正向入射和反向入射的透射谱；

图5为光波正向入射时一维磁光子晶体中磁场强度H_y的场分布图；

图6为光波反向入射时一维磁光子晶体中磁场强度H_y的场分布图。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐明本发明的具体实施方式。

本发明，包括周期数为26的一维光子晶体和一缺陷层构成。其中，一维光子晶体由磁光材料和各向同性材料交替构成，缺陷层采用一定厚度的磁光材料层，缺陷层位于整个结构中心的特定模型。本发明由磁光材料构成一维光子晶体缺陷层，同时一定波长电磁波以一定角度入射到一维光子晶体一个侧面在另外一个侧面输出，而同样波长的电磁波从另一个侧面反向入射则完全被截止，实现非互易性传播的性能。

如图1所示，对一维光子晶体进行建模，设置模型参数。具体实施为：在完整的一维磁光子晶体中设置缺陷层结构形成缺陷一维磁光子晶体，设计一种新型一维磁光子晶体非互易性结构。设置磁光介质A的介电张量为ε_a，xx＝ε_a，yy＝ε_a，zz＝1.96，ε_a，xz＝-ε_a，zx＝i0.4，ε_a，yy＝ε_a，yx＝ε_a，yz＝ε_a，yy＝0，厚度d_a＝69.3nm，介质层B的介电常数为ε_b＝4，d_b＝152.8nm，晶格周期为d＝d_a+d_b＝222.1nm，缺陷层C的介电张量介电张量为ε_c，xx＝ε_c，yy＝ε_a，zz＝1.96，ε_c，xz＝-ε_c，zx＝-i0.4，ε_c，xy＝ε_c，yx＝ε_c，yz＝ε_c，zy＝0，d_c＝150nm，背景材料为空气。

缺陷层采用与光子晶体磁光材料相同的材料，但与施加在磁光子晶体的外加磁场方向刚好相反，使整个结构时间反演对称性不能满足，从而实现结构非互易性效果。

本发明在模型仿真过程中，采用特征矩阵法，在一定切向波矢分量下，输入一定频率范围的电磁波谱，在光子禁带中出现缺陷模。如图2-4所示。研究不同缺陷层C的厚度对对正向入射和反向入射透射谱的影响，实线代表正向入射透射谱，虚线代表反向入射透射谱。其传输谱特性如图2-4所示，图2为缺陷层的厚度d_c＝140nm，正向入射和反向入射的透射谱，正向入射(实线表示)和反向入射(虚线表示)的透射波长分别为775.9nm和768.3nm。图3为缺陷层的厚度d_c＝150nm，正向入射和反向入射的透射谱，正向入射(实线表示)和反向入射(虚线表示)的波长分别为781nm和773.4nm。图4为缺陷层的厚度d_c＝160nm，正向入射和反向入射的透射谱，正向入射(实线表示)和反向入射(虚线表示)的波长分别为786.5nm和778.7nm。实验结果表明，不同方向入射出现的缺陷模的波长不同，该晶体的工作波长范围随缺陷层的厚度的变化而改变。图5是采用有限元法计算波长为781nm、入射角度22.3度的光波正向入射缺陷层C厚度为150nm的一维磁性光子晶体时，磁场强度H_y的场分布图；图6是采用有限元法计算波长为781nm、入射角度22.3度的光波反向入射缺陷层C的厚度为150nm的一维磁光子晶体时，磁场强度H_y的场分布图。实验结果表明，晶体能使一定波长光束从缺陷一维磁光子晶体一侧以一定角度斜入射时能全透射，而从另一侧反向斜入射则全反射，此种特性可以用来设计非互易性光通信器件。为此，本发明不仅可以实现光波非互易传播，而且还具有滤波特性；本发明通过改变缺陷层的属性，可以对其它光波波段进行非互易传播，具有良好的可塑性；本发明可与其它器件集成化，采用薄膜制备工艺，制备技术成熟；本发明具有很高的光隔离度。

本发明具有结构通俗，工艺简单，功能性强等特点，设计灵活，在光隔离器、光环行器等方面有广泛的应用前景。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。