本發(fā)明涉及電磁應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及非互易器件。

背景技術(shù)：

外界磁場(chǎng)的作用可以破壞磁性光子晶體中電磁波的時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性，形成單向邊界模式，導(dǎo)致電磁波的單向傳播。目前，利用磁光材料構(gòu)成的二維光子晶體，電磁波單向邊界模式已在微波段得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。電磁波單向邊界模式的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)新型非互易光子器件提供了一個(gè)嶄新的物理機(jī)制，這些功能器件用傳統(tǒng)的互易電磁模式可能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。此外，隨著全光通信技術(shù)發(fā)展，慢光現(xiàn)象也受到人們的關(guān)注。目前該領(lǐng)域一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是解決光速變慢和帶寬變窄的矛盾。帶寬變小或群速度色散增大會(huì)導(dǎo)致光脈沖在波導(dǎo)中傳輸后發(fā)生形變，導(dǎo)致信號(hào)失真。如何在保持一定帶寬的前提下，有效降低電磁波的群速，是目前需要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種能夠在保持一定帶寬的前提下有效降低電磁波的群速度的基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及非互易器件。

一種基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括第一介質(zhì)柱及第二介質(zhì)柱，所述第一介質(zhì)柱及所述第二介質(zhì)柱均有多根；所述第一介質(zhì)柱的材料為鐵磁性材料，多根所述第一介質(zhì)柱排成至少一列；所述第二介質(zhì)柱的材料為磁光材料，多根所述第二介質(zhì)柱在成列設(shè)置的所述第一介質(zhì)柱的兩側(cè)分布且在兩側(cè)分別周期性排列成二維磁性光子晶體。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第二介質(zhì)柱的材料為釔鐵石榴石。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第二介質(zhì)柱的半徑為0.106倍所述二維磁性光子晶體的晶格常數(shù)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，多根所述第一介質(zhì)柱排列成一列。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，相鄰的所述第一介質(zhì)柱的中軸線之間的距離等于所述二維磁性光子晶體的晶格常數(shù)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，相鄰的第一介質(zhì)柱與第二介質(zhì)柱中軸線之間的距離等于所述二維磁性光子晶體的晶格常數(shù)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)柱的半徑為0.19倍所述二維磁性光子晶體的晶格常數(shù)。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)柱的折射率為1.5。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一介質(zhì)柱的材料選自鐵、鈷及鎳中的至少一種。

一種非互易器件，包含上述任一實(shí)施例所述的基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

上述基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及含有該單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的非互易器件，通過(guò)在磁性光子晶體中插入成列設(shè)置的第一介質(zhì)柱構(gòu)成缺陷結(jié)構(gòu)，當(dāng)在第一介質(zhì)柱兩側(cè)的第二介質(zhì)柱構(gòu)成的二維磁性光子晶體區(qū)域施加磁場(chǎng)，如在+Z方向上施加相反的外界偏置磁場(chǎng)，可以構(gòu)成兩個(gè)方向相同的單向邊界模式，以形成正向耦合，可以實(shí)現(xiàn)電磁波的單向傳輸和慢光特性。此外，上述單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)光隔離器等光互易器件體積大、損壞大及集成困難的問(wèn)題，在光通訊器件等非互易器件中具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為一實(shí)施例的基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2采用圖1所示單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散實(shí)驗(yàn)圖；

圖3(a)-(d)為圖2所示的色散曲線上選擇四個(gè)不同的頻率點(diǎn)的二維場(chǎng)圖模擬示意圖；

圖4為圖3中第四個(gè)頻率點(diǎn)的電磁波的能流圖；

圖5為不同半徑的第一介質(zhì)柱對(duì)應(yīng)的色散曲線；

圖6為不同半徑的第一介質(zhì)柱對(duì)應(yīng)的電磁波群速曲線；

圖7為不同折射率的第一介質(zhì)柱對(duì)應(yīng)的電磁波的群速曲線。

具體實(shí)施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，并不限于本文所描述的實(shí)施例。相反地，提供這些實(shí)施例的目的是使對(duì)本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“和/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。

如圖1所示，一實(shí)施例的基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10包括第一介質(zhì)柱100和第二介質(zhì)柱200。第一介質(zhì)柱100及第二介質(zhì)柱200均有多根。第一介質(zhì)柱100的材料為鐵磁性材料。多根第一介質(zhì)柱100排成至少一列。第二介質(zhì)柱200的材料為磁光材料，多根第二介質(zhì)柱200在成列設(shè)置的第一介質(zhì)柱100的兩側(cè)分布且在兩側(cè)分別周期性排列成二維磁性光子晶體。

在本實(shí)施例中，第二介質(zhì)柱200的材料可以但不限于為釔鐵石榴石(YIG)等磁光材料。該二維磁性光子晶體的晶格常數(shù)為a，即相鄰的第二介質(zhì)柱200的中軸線之間的距離為a。第二介質(zhì)柱200的半徑優(yōu)選但不限于0.106a。

在本實(shí)施例中，多根第一介質(zhì)柱100排列成一列。第一介質(zhì)柱100為普通的磁性材料制作，如鐵、鈷及鎳中至少一種鐵磁性材料。相鄰的第一介質(zhì)柱100的中軸線之間的距離等于二維磁性光子晶體的晶格常數(shù)，即相鄰的第一介質(zhì)柱100的中軸線之間的距離也為a。相鄰的第一介質(zhì)柱100與第二介質(zhì)柱200的中軸線之間的距離等于a。

進(jìn)一步，在本實(shí)施例中，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，第一介質(zhì)柱100的半徑優(yōu)選為0.19a，且第一介質(zhì)柱100優(yōu)選為折射率是1.5的材料制作，可以提高慢光特征，改善電磁波的群速。

為在周期性排列的二維磁性光子晶體中引入缺陷結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例通過(guò)在傳統(tǒng)的二維磁性光子晶體中，以成列設(shè)置的第一介質(zhì)柱100取代其中部的第二介質(zhì)柱200，形成缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)相同方向的群速度，從而構(gòu)成單向電磁邊界模式的正向耦合得到單向傳輸?shù)牟▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，分別在成列的第一介質(zhì)柱100的兩側(cè)的第二介質(zhì)柱200的+Z方向施加相反的外界偏置磁場(chǎng)，如其中一側(cè)施加正方向磁場(chǎng)，另一側(cè)施加負(fù)方向磁場(chǎng)，可以使得電磁波在該缺陷波導(dǎo)中單向傳輸。

在第一介質(zhì)柱100兩側(cè)的第二介質(zhì)柱200添加不同方向的磁場(chǎng)，構(gòu)成兩個(gè)方向相同的單向邊界模式，該兩個(gè)方向相同的單向邊界模式之間的耦合為單向邊界模式的正向耦合。利用該特性可以實(shí)現(xiàn)單向空氣波導(dǎo)。本實(shí)施例采用Comsol軟件模擬了圖1所示結(jié)構(gòu)的色散圖，結(jié)果如圖2所示。

選取圖2色散曲線上四個(gè)不同的頻率來(lái)仿真，這四個(gè)頻率分別對(duì)應(yīng)為:P1(0；0.5267)、P2(0.05；0.5314)、P3(0.15；0.542)和P4(0.25；0.5492)。圖3(a)、3(b)、3(c)、3(d)分別顯示了這四個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)電場(chǎng)分量，其中白色五角星標(biāo)注電流源，深灰色條帶或點(diǎn)狀圖形代表電場(chǎng)分量正負(fù)。圖3結(jié)果顯示了明顯單向傳輸特性，但進(jìn)一步對(duì)比各圖，容易發(fā)現(xiàn)頻率P1由于距離通帶區(qū)域比較近，類(lèi)似于是通帶模式，波導(dǎo)對(duì)該頻率的光波不存在任何約束作用，光波可以在光子晶體內(nèi)部傳輸。與之不同，P2頻率距離通帶距離比較遠(yuǎn)，波導(dǎo)對(duì)光波的約束作用增強(qiáng)，光波在波導(dǎo)內(nèi)部傳輸。對(duì)于P3和P4頻率的電磁波，波導(dǎo)的約束作用進(jìn)一步加強(qiáng)，光主要集中在波導(dǎo)內(nèi)部傳播。

圖4顯示了電磁波的能流圖，結(jié)果顯示上下第二介質(zhì)柱200的能流方向相反，直觀的顯示了電磁波的單向傳播特性。

本實(shí)施例還進(jìn)一步研究以上結(jié)構(gòu)的慢光特性。通過(guò)改變介質(zhì)柱的半徑大小和材料特性，改善電磁波的群速。圖5顯示了不同介質(zhì)柱子半徑的色散曲線，容易看出隨著介質(zhì)柱的半徑由0.19a減小到0.12a，其對(duì)應(yīng)的色散曲線也逐漸升高，且曲線的前段平滑度明顯降低。通過(guò)公式計(jì)算了不同半徑大小情況下對(duì)應(yīng)的群速率的曲線，圖6顯示計(jì)算結(jié)果。由圖6可知當(dāng)介質(zhì)柱的半徑大小為0.19a時(shí)，群速度的值總體比較穩(wěn)定，接近于零。而減小介質(zhì)柱的半徑大小之后，群速度變大。

保持介質(zhì)柱半徑大小為0.19a，本實(shí)施例還采用不同的材料研究群速度與折射率的依賴(lài)關(guān)系。圖7顯示了計(jì)算結(jié)果，從圖7容易發(fā)現(xiàn)在保持介質(zhì)柱半徑大小為0.19a的情況下，材料采用n＝1.5的情況較好，群速度值變化比較小，相對(duì)平緩。

綜上所述，通過(guò)采用磁性光子晶體波導(dǎo)和優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)參數(shù)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電磁波的單向傳輸和慢光特性，研究結(jié)果有理論和應(yīng)用價(jià)值。

本實(shí)施例的基于磁性光子晶體的單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10，通過(guò)在磁性光子晶體中插入成列設(shè)置的第一介質(zhì)柱100構(gòu)成缺陷結(jié)構(gòu)，當(dāng)在第一介質(zhì)柱100兩側(cè)的第二介質(zhì)柱200構(gòu)成的二維磁性光子晶體區(qū)域施加磁場(chǎng)，如在+Z方向上施加相反的外界偏置磁場(chǎng)，可以構(gòu)成兩個(gè)方向相同的單向邊界模式，以形成正向耦合，可以實(shí)現(xiàn)電磁波的單向傳輸和慢光特性。此外，上述單向慢光缺陷波導(dǎo)結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)光隔離器等光互易器件體積大、損壞大及集成困難的問(wèn)題，在光通訊器件等非互易器件中具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡(jiǎn)潔，未對(duì)上述實(shí)施例中的各個(gè)技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說(shuō)明書(shū)記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)發(fā)明專(zhuān)利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專(zhuān)利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。