CN104466323A - 基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法 - Google Patents
基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，包括以下步骤：构造磁性光子晶体,所述磁性光子晶体包括有通孔的基材和由多个铁氧体柱组成，所述铁氧体柱置于通孔中；对所述铁氧体柱施加外加偏置磁场，以打开能带狄拉克简并点,生成可类比整数量子霍尔效应的带隙；如果此带隙处于归一化频率0.5以上，通过增大所述铁氧体柱横截面积或减小晶格常数，从而增大占空比，降低光子晶体此带隙的频率；通过改变边界铁氧体柱的大小引入表面缺陷，使磁性光子晶体投影能带出现单向边界态,从而实现能量的自导单向边缘传输。本发明实现电磁波束稳定的单向传输，当去掉某些边界铁氧体柱或在边界插入金属，不会改变其单向传输特性。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波束的控制技术领域，特别是涉及一种利用可调旋磁媒质（基于铁氧体的磁性光子晶体）实现电磁波束单向传输的方法，具体是一种磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，更具体是一种基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法。
背景技术
铁氧体材料为现阶段构成电磁单向边缘态的主要媒质。通过类比可类比整数量子霍尔效应，引入氧化铝等介质型光子晶体、金属档板等限制层抑制电磁波的空间辐射，或者通过类石墨烯结构的zigzag自导边界模式,实现了电磁波沿边界单一方向传播。上述方法中当引入氧化铝等介质型光子晶体后，添加新的光子晶体结构，使整体结构变得复杂，不宜集成。当引入金属档板等限制层抑制电磁波的空间辐射后，由于金属存在较强的吸收，电磁波会有损耗。通过类石墨烯结构的zigzag自导边界模式，存在单位面积中圆柱的较多，增大制作成本，且排列较为复杂的问题。
发明内容
发明目的：提供一种新的结构简单，实现方便的利用可调旋磁媒质（基于铁氧体的磁性光子晶体）实现电磁波束的控制方法，实现电磁波束稳定的单向传输。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，包括以下步骤：
（1）构造磁性光子晶体,所述磁性光子晶体包括有通孔的基材和由多个铁氧体柱组成，所述铁氧体柱置于通孔中；
（2）对所述铁氧体柱施加外加偏置磁场，以打开能带狄拉克简并点,生成可类比整数量子霍尔效应的带隙；
（3）如果此带隙处于归一化频率0.5以上，通过增大所述铁氧体柱横截面积或减小晶格常数，从而增大占空比，降低磁性光子晶体在此带隙的频率；
（4）通过改变边界铁氧体柱的大小引入表面缺陷，使磁性光子晶体投影能带出现单向边界态,从而实现能量的自导单向边缘传输。
进一步的，能量的单向边缘传输是自导的，不需要限制层。
进一步的，所述铁氧体柱的材料为软磁。更进一步地，所述铁氧体柱的材料为钇铁石榴石铁氧体。
进一步的，所述磁性光子晶体投影能带出现单向边缘态是通过改变边界圆柱的大小才会出现的。
进一步的，所述铁氧体柱的形状为规则柱体，典型为圆柱体。
进一步的，所述多个铁氧体柱构成阵列,该阵列不具有类似于石墨烯蜂窝阵列的空间破缺特性，典型为矩形阵列,进一步为正方点阵。
进一步的，所述基材的介电常数介于1.0-1.18之间，典型为泡沫。
进一步的，所述基材的上表面和下表面分别设有盖板，更进一步，盖板的材料为金属，优选为铝板。
工作原理：在二维旋磁性光子晶体中,在外加磁场作用下,由于张量磁导率非对角线上元素的引入导致结构的时间反演对称性破缺，进而造成能带非零陈数的存在，使原来能带中的非线性简并态劈裂,在此带隙中存在单通边界态；通过增大铁氧体柱横截面积或减小晶格常数从而增大占空比的方法，降低磁性光子晶体在此带隙的频率，设计出现可类比整数量子霍尔效应的带隙处于归一化频率0.5以下（即空气线以下）；通过改变边界铁氧体柱的大小修饰表面引入离散线缺陷，使二维正方点阵磁性光子晶体投影能带出现单向边缘态。最终，实现了一种新型磁性光子晶体自导单向边界传输。所述表面为位于磁性光子晶体边界的铁氧体柱。所述表面缺陷为磁性光子晶体边界的铁氧体柱横截面大小不同于内部铁氧体柱。自导的含义是磁性光子晶体的边界外侧无需添加限制层。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过降低磁性光子晶体可类比整数量子霍尔效应带隙的频率以及改变边界铁氧体柱的大小实现能量的自导单向边缘传输。本发明避免了引入氧化铝等介质型光子晶体、金属档板等限制层抑制电磁波的空间辐射。同时，也不同于类石墨烯结构的zigzag自导边界模式。具有结构简单，加工容易，成本低廉，易于实现等优势。
附图说明
图1（A）示出了采用本发明方法设计磁性光子晶体的二维结构示意图。
图1（B）示出了采用本发明方法设计磁性光子晶体的三维结构示意图。
图2（A）示出了未设置外加磁场时能带结构仿真结果图。
图2（B）示出了设置外加磁场时能带结构仿真结果图。
图3（A）示出了未修饰表面时投影能带结构仿真结果图。
图3（B）示出了改变边界铁氧体圆柱体的大小时投影能带结构仿真结果图。
图4（A）示出了单向传输能流仿真图。
图4（B）示出了边界第一排铁氧体圆柱体外侧的能流值。
图5（A）示出了边界去掉一铁氧体圆柱体时，单向传输能流仿真图。
图5（B）示出了边界去掉一铁氧体圆柱体时，边界第一排铁氧体圆柱体外侧的能流值。
图6（A）示出了边界插入金属铝条时，单向传输能流仿真图。
图6（B）示出了边界插入金属铝条时，边界第一排铁氧体圆柱体外侧的能流值。
图7示出了矩形点阵（晶格常数a1≠a2）磁性光子晶体单向传输能流仿真图。
图8（A）示出了采用本发明方法设计矩形点阵（晶格常数a1≠a2）正方形基元磁性光子晶体的二维结构示意图。
图8（B）示出了矩形点阵（晶格常数a1≠a2）正方形基元磁性光子晶体单向传输能流仿真图。
图9（A）示出了采用本发明方法设计矩形点阵（晶格常数a1≠a2）三角形基元磁性光子晶体的二维结构示意图。
图9（B）示出了矩形点阵（晶格常数a1≠a2）三角形基元磁性光子晶体单向传输能流仿真图。
图10（A）示出了采用本发明方法设计三角点阵圆形基元磁性光子晶体的二维结构示意图。
图10（B）示出了三角点阵圆形基元磁性光子晶体单向传输能流仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本申请受淮安市信息功能材料研究重点实验室开放课题、江苏省自然科学基金资助(BK20130854)、国家级2014年大学生创新创业训练计划项目(项目批准号: 201410323018)和江苏省2014年大学生实践创新训练计划项目（项目批准号: 201410323018Z）支持。
本发明一种基于表面修饰磁性光子晶体自导单向边界态传输方法，包括以下步骤：
（1）构造磁性光子晶体,所述磁性光子晶体包括有通孔的基材和由多个铁氧体柱组成，所述铁氧体柱置于通孔中；
（2）对所述铁氧体柱施加外加偏置磁场，以打开能带狄拉克简并点,生成可类比整数量子霍尔效应的带隙；
（3）如果此带隙处于归一化频率0.5以上，通过增大所述铁氧体柱横截面积或减小晶格常数，从而增大占空比，降低磁性光子晶体在此带隙的频率；
（4）通过改变边界铁氧体柱的大小引入表面缺陷，使磁性光子晶体投影能带出现单向边界态,从而实现能量的自导单向边缘传输。
结合附图说明一种实现本发明的具体方案如下：
如图1所示，本实施例中,其主要包括阵列铁氧体圆柱体1构成的磁性光子晶体和泡沫材质的基材2,铁氧体圆柱体位于泡沫材质的通孔中。基材2的上表面和下表面分别设有盖板3。磁性光子晶体为正方点阵,晶格常数a1=a2, r1为位于内部的铁氧体圆柱体半径，r2为位于边界的铁氧体圆柱体半径，高度都为10mm。所加外加偏置磁场为600 Oe，外加偏置磁场大小范围可以调节。介电常数为15.26,它在微波段基本上为一个常数。
图2（A）示出了未修饰边界（r2= r1）、未设置外加磁场时能带结构仿真结果图。其中能带1和能带2之间在M点为狄拉克简并点；图2（B）示出了未修饰边界设置外加磁场为600 Oe时能带结构仿真结果图。其中能带1和能带2之间在M点（即简并点）被劈裂。通过计算可知能带间有陈数的交换，两条能带间可存在单向边界态。
通过增大铁氧体柱横截面积、降低晶格常数从而增大占空比的方法，降低光子晶体此带隙的频率，设计出现能带1和能带2之间带隙处于归一化频率0.5以下（即空气线以下）。图3（A）示出了未修饰表面时投影能带结构仿真结果图。将铁氧体圆柱体半径r1、r2设为3.5mm，晶格常数a设为15mm。不过，对应的带隙间并未出现边界态。通过改变边界铁氧体圆柱体的大小，将铁氧体圆柱体半径r2设为3.0mm。图3（B）中示出了改变边界铁氧体圆柱体的大小时投影能带结构仿真结果图。可见，对应的带隙间灰色矩形区域出现单向边界态，并且处于光锥之外。
图4（A）示出了单向传输能流仿真图。所仿真频率为8.6GHz，落在对应的带隙中。在远离点源的左侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减，没有背向散射，形成一个完全自导的向右传输的表面波。图4（B）示出了边界第一排铁氧体圆柱体外侧的能流值。
图5（A）示出了边界去掉一铁氧体圆柱体时，单向传输能流仿真图。在远离点源的左侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减。经过点缺陷位置时，自动选着路径绕开缺陷，能量有所衰减，但是不会产生任何背向散射场，继续沿着边界向右传输。图5（B）示出了边界去掉一铁氧体圆柱体时，边界第一排铁氧体圆柱体外侧的能流值。
图6（A）示出了边界插入金属铝条时，单向传输能流仿真图。在远离点源的左侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减。经过金属铝条位置时，自动选着路径绕开障碍物，能量有所衰减，但是不会产生任何背向散射场，继续沿着边界向右传输。图6（B）示出了边界插入金属铝条时，边界第一排铁氧体圆柱体外侧的能流值。
图7示出了矩形点阵（晶格常数a1≠a2）磁性光子晶体单向传输能流仿真图。所仿真频率为8.6GHz。磁性光子晶体为矩形点阵,晶格常数a1≠a2, a1=17mm， a2=15mm， r1=3.5mm，r2=3.0mm。铁氧体圆柱体高度为10mm，所加外加偏置磁场为600 Oe。在远离点源的左侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减，没有背向散射，形成一个完全自导的向右传输的表面波。
图8（A）示出了采用本发明方法设计矩形点阵（晶格常数a1≠a2）正方形基元磁性光子晶体的二维结构示意图。磁性光子晶体为矩形点阵,晶格常数a1≠a2, a1=17mm， a2=15mm。 r1为位于内部的铁氧体正方柱体边长，r2为位于边界的铁氧体正方柱体边长，r1=6.2mm，r2=5.3mm。铁氧体正方柱体高度为10mm。
图8(B) 示出了矩形点阵（晶格常数a1≠a2）正方形基元磁性光子晶体单向传输能流仿真图。所仿真频率为8.6GHz。所加外加偏置磁场为600 Oe。在远离点源的左侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减，没有背向散射，形成一个完全自导的向右传输的表面波。
图9（A）示出了采用本发明方法设计矩形点阵（晶格常数a1≠a2）三角形基元磁性光子晶体的二维结构示意图。磁性光子晶体为矩形点阵,晶格常数a1≠a2, a1=19mm， a2=15mm， r1为位于内部的铁氧体等腰直角三角柱体边长，r2为位于边界的铁氧体等腰直角三角柱体边长，r1=12.4mm，r2=10.3mm。铁氧体圆柱体高度为10mm。
图9(B)示出了矩形点阵（晶格常数a1≠a2）三角形基元磁性光子晶体单向传输能流仿真图。所仿真频率为8.9GHz。所加外加偏置磁场为600 Oe。在远离点源的右侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减，没有背向散射，形成一个完全自导的向左传输的表面波。
图10（A）示出了采用本发明方法设计三角点阵圆形基元磁性光子晶体的二维结构示意图。磁性光子晶体晶格常数a1= a2=16mm，r1=3.5mm，r2=3.0mm，r1为位于内部的铁氧体圆柱体半径，r2为位于边界的铁氧体圆柱体半径。铁氧体圆柱体高度为10mm。
图10（B）示出了三角点阵圆形基元磁性光子晶体单向传输能流仿真图。所仿真频率为8.5GHz。所加外加偏置磁场为600 Oe。在远离点源的左侧方向，电磁波在磁性光子晶体和空气中都快速衰减，没有背向散射，形成一个完全自导的向右传输的表面波。
Claims (7)
1.一种基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）构造磁性光子晶体,所述磁性光子晶体包括有通孔的基材和由多个铁氧体柱组成，所述铁氧体柱置于通孔中；
（2）对所述铁氧体柱施加外加偏置磁场，以打开能带狄拉克简并点,生成可类比整数量子霍尔效应的带隙；
（3）如果此带隙处于归一化频率0.5以上，通过增大所述铁氧体柱横截面积或减小晶格常数，从而增大占空比，降低磁性光子晶体在此带隙的频率；
（4）通过改变边界铁氧体柱的大小引入表面缺陷，使磁性光子晶体投影能带出现单向边界态,从而实现能量的自导单向边缘传输。
2.根据权利要求1所述基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，所述铁氧体柱的材料为软磁。
3.根据权利要求1所述基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，所述铁氧体柱的形状为规则柱体。
4.根据权利要求1所述基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，所述多个铁氧体柱构成规则形状的阵列。
5.根据权利要求1所述基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，所述基材的介电常数介于1.0-1.18之间。
6.根据权利要求1所述基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，所述基材的上表面和下表面分别设有盖板。
7.根据权利要求6所述基于表面修饰的磁性光子晶体自导单向边缘态传输方法，其特征在于，所述盖板的材料为金属。
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