本發(fā)明涉及光子晶體與光電子器件領(lǐng)域，尤其是涉及一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體。

背景技術(shù)：

1、平帶是指在能帶結(jié)構(gòu)中，能量幾乎不隨動量變化的能帶。光子結(jié)構(gòu)中的平帶因其獨(dú)特的色散特性導(dǎo)致的局域態(tài)，在光子局域、光的非線性效應(yīng)和光-物質(zhì)相互作用等方面發(fā)揮著無可替代的作用，廣泛應(yīng)用于激光器、光傳感器、非線性光學(xué)元件、集成光子器件等先進(jìn)光學(xué)器件。光子晶體系統(tǒng)是實現(xiàn)光學(xué)平帶的一個有效載體，在光學(xué)平帶的研究與應(yīng)用方面均扮演著重要的角色。

2、以往的莫爾晶格平帶光子/聲子微結(jié)構(gòu)是用雙層或多層結(jié)構(gòu)堆疊來實現(xiàn)的。如《moiréfringe?induced?gauge?field?in?photonics》一文中提出了一種在微波段用雙層莫爾超表面實現(xiàn)贗磁場和平帶朗道能級的方法，《synthetic?gauge?fields?and?landaulevels?in?acoustic?moirésuperlattices》一文中提出了一種在聲學(xué)領(lǐng)域利用雙層空氣柱聲子晶體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)贗磁場和平帶朗道能級的方法?，F(xiàn)有的雙層光子/聲子微結(jié)構(gòu)需要對兩層晶格之間的相對位置及層間距實現(xiàn)精確控制，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，需要復(fù)雜的制備工藝和精確的調(diào)整來實現(xiàn)，在測試表征上因其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也存在著諸多挑戰(zhàn)；因此有必要研制單層二維結(jié)構(gòu)的莫爾光子晶體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，可以輕松地克服很多制備上的挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種單層二維結(jié)構(gòu)的可產(chǎn)生朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，實現(xiàn)在贗磁場邊界局域的光學(xué)朗道平帶和沿中心傳輸?shù)哪芄纫蕾嚨慕缑鎮(zhèn)鬏斈Ｊ?，具有結(jié)構(gòu)簡單，便于制備等優(yōu)點(diǎn)。

2、技術(shù)方案：為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，包括光子晶體金屬柱陣列，光子晶體金屬柱陣列為x-y平面內(nèi)二維周期延拓的三角晶格經(jīng)y方向一維莫爾調(diào)制形成的莫爾晶格結(jié)構(gòu)。莫爾晶格由兩套三角晶格(a和b)融合形成，a為標(biāo)準(zhǔn)的三角晶格，b為晶格結(jié)構(gòu)沿調(diào)制方向做微小拉伸的變形三角晶格。在y方向上取至少一個完整的莫爾周期，在x方向上周期性延拓；在莫爾周期中心線處，a與b晶格相重合，兩晶格的交疊部分共同構(gòu)成異形圓柱。

4、作為優(yōu)選，在y方向上，b晶格的晶格間距為a晶格的晶格間距的1+δy倍，其中δy取值范圍為0<δy≤20％。

5、作為優(yōu)選，a、b晶格所有圓柱具有相同的半徑r＝0.25a，其中a為晶格常數(shù)。

6、作為優(yōu)選，所述光子晶體金屬柱為鋁柱。

7、作為優(yōu)選，b晶格在y方向的晶格拉伸量相比原晶格長度ly為10％，對應(yīng)莫爾周期λ＝11ly。

8、作為優(yōu)選，在y方向具有鏡面對稱性，以結(jié)構(gòu)中心a、b兩套晶格的重合點(diǎn)為對稱軸。

9、進(jìn)一步地，本結(jié)構(gòu)工作在te模式下(電場在x-y平面內(nèi)，磁場沿垂直平面方向即z方向)微波段(ghz)頻率范圍內(nèi)。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，在x方向的贗磁矢勢和z方向的贗磁場以結(jié)構(gòu)中心為對稱軸，分別沿y方向?qū)ΨQ、反對稱分布；贗磁場僅分布在結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域，形成上下兩個贗磁場邊界。

10、進(jìn)一步地，當(dāng)莫爾超胞動量空間的波矢kx位于布里淵區(qū)中心位置時，即|kx|接近于0時，朗道零能級模之間發(fā)生簡并，構(gòu)成朗道平帶；在點(diǎn)源激勵下，電磁波被局域在贗磁場邊界上，形成駐波，莫爾光子晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出平帶的特性。

11、進(jìn)一步地，當(dāng)kx位于布里淵區(qū)邊緣位置時，即|kx|接近于π/a時，朗道零能級模之間的耦合減弱，呈現(xiàn)出向下和向上的兩個谷選擇界面模式；采用左旋和右旋圓極化波激勵時，電磁波主要在結(jié)構(gòu)中心位置附近傳輸，且在不同圓極化波激勵下的傳輸方向相反，可通過改變激勵源的頻率和極化方向來控制界面態(tài)的傳輸方向，莫爾光子晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出谷選擇的特性。

12、進(jìn)一步地，本結(jié)構(gòu)可以在環(huán)形磁單極子天線激勵或由磁單極子天線構(gòu)成的具有左旋/右旋圓極化源激勵下工作，在不同頻率下呈現(xiàn)出平帶局域態(tài)或谷選擇界面態(tài)的不同調(diào)控特性。

13、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的莫爾光子晶體設(shè)計為準(zhǔn)二維系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，在具有穩(wěn)定光學(xué)平帶的同時，還具有贗磁場導(dǎo)致的谷選擇界面態(tài)，可隨激勵源頻率和極化方向在局域模式與不同方向的傳輸模式中切換，可用于設(shè)計新型多功能光學(xué)器件。由于光子晶體具有尺度不變性，可通過直接改變幾何尺寸將工作頻率移植到太赫茲波段或者光波段，具有廣泛的普適性。

技術(shù)特征：

1.一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，包括光子晶體金屬柱陣列，光子晶體金屬柱陣列為x-y平面內(nèi)二維周期延拓的三角晶格經(jīng)y方向一維莫爾調(diào)制形成的莫爾晶格結(jié)構(gòu)；莫爾晶格由兩套三角晶格a和b融合形成，a為標(biāo)準(zhǔn)的三角晶格，b為晶格結(jié)構(gòu)沿y方向做微小拉伸的變形三角晶格；在y方向上取至少一個完整的莫爾周期，在x方向上周期性延拓；在莫爾周期中心線處，a與b晶格相重合；兩晶格的交疊部分共同構(gòu)成異形圓柱。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，在y方向上，b晶格的晶格間距為a晶格的晶格間距的1+δy倍，其中δy取值范圍為0<δy≤20％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，a、b晶格所有圓柱具有相同的半徑r＝0.25a，其中a為晶格常數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，所述光子晶體金屬柱為鋁柱。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，b晶格在y方向的晶格拉伸量相比原晶格長度ly為10％，對應(yīng)莫爾周期λ＝11ly。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，在y方向具有鏡面對稱性，以結(jié)構(gòu)中心a、b兩套晶格的重合點(diǎn)為對稱軸。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，工作在te模式下時，由于結(jié)構(gòu)的對稱性，在x方向的贗磁矢勢和z方向的贗磁場以結(jié)構(gòu)中心為對稱軸，分別沿y方向?qū)ΨQ、反對稱分布；贗磁場僅分布在結(jié)構(gòu)的部分區(qū)域，形成上下兩個贗磁場邊界。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，當(dāng)莫爾超胞動量空間的波矢kx位于布里淵區(qū)中心位置時，即|kx|接近于0時，朗道零能級模之間發(fā)生簡并，構(gòu)成朗道平帶；在點(diǎn)源激勵下，電磁波被局域在贗磁場邊界上，形成駐波，莫爾光子晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出平帶的特性。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，當(dāng)莫爾超胞動量空間的波矢kx位于布里淵區(qū)邊緣位置時，即|kx|接近于π/a時，朗道零能級模之間的耦合減弱，呈現(xiàn)出向下和向上的兩個谷選擇界面模式；采用左旋和右旋圓極化波激勵時，電磁波主要在結(jié)構(gòu)中心位置附近傳輸，且在不同圓極化波激勵下的傳輸方向相反，可通過改變激勵源的頻率和極化方向來控制界面態(tài)的傳輸方向，莫爾光子晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出谷選擇的特性。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，其特征在于，莫爾光子晶體結(jié)構(gòu)在環(huán)形磁單極子天線激勵或由磁單極子天線構(gòu)成的具有左旋/右旋圓極化源激勵下工作，在不同頻率下呈現(xiàn)出平帶局域態(tài)或谷選擇界面態(tài)的不同調(diào)控特性。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種具有朗道平帶和谷選擇界面態(tài)的莫爾光子晶體，包括光子晶體金屬柱陣列，光子晶體金屬柱陣列為x?y平面內(nèi)二維周期延拓的三角晶格經(jīng)y方向一維莫爾調(diào)制形成的莫爾晶格結(jié)構(gòu)；莫爾晶格由兩套三角晶格A和B融合形成，A為標(biāo)準(zhǔn)的三角晶格，B為晶格結(jié)構(gòu)沿y方向做微小拉伸的變形三角晶格。該結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)二維系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工；工作在TE模式；在具有穩(wěn)定光學(xué)平帶的同時，還具有贗磁場導(dǎo)致的谷選擇界面態(tài)，可隨激勵源頻率和極化方向變化在平帶局域模式與不同方向的界面態(tài)傳輸模式中切換。本發(fā)明可用于設(shè)計新型多功能微波器件，并基于光子晶體的尺度不變性，通過改變幾何尺寸將工作頻率移植到太赫茲波段或光波段，具有廣泛的普適性。

技術(shù)研發(fā)人員：蒲殷,張瀟,陳健,劉潔,梁力
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14