CN106887665A - 一种全介质超材料类eit谐振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全介质超材料类EIT谐振装置，包括平板波导和二维周期性介质谐振器，所述平板波导包括第一介质层，所述二维周期性介质谐振器由置于第一介质层的上表面且呈二维周期性分布的长方体介质条构成，所述长方体介质条的折射率大于所述第一介质层的折射率。二维周期性介质谐振器本身具有谐振特性，根据Mie谐振原理可以产生一系列的Mie谐振。另外，二维周期性介质谐振器又具有类光栅作用，可使入射波发生衍射并与平板波导导模耦合。通过操控Mie谐振和导模谐振的相互作用，可以产生类EIT效应。使用本发明所述的全介质超材料类EIT谐振装置，可以实现高品质因子谐振和高谐振强度，从而得到高的群折射率。

Description

一种全介质超材料类EIT谐振装置

技术领域

本发明属于超材料技术领域，尤其涉及超材料类EIT(电磁诱导透明)谐振装置。

背景技术

超材料是一种人工设计制作的亚波长周期性谐振结构材料，由于可以获得自然界介质不能获得的特性，在负折射率、隐身衣、传感、滤波器件等领域具有非常重要的应用。与金属超材料相比，全介质超材料由于没有金属欧姆损耗的影响，可以获得更高的谐振品质因子和谐振强度。

电磁诱导透明(EIT)是一种重要的物理现象，由多原子系统中的能级间干涉而产生。这种EIT现象具有强色散的特点，因此在这个区域伴随着很大的群折射率，可实现电磁波调控、降低光速、进行光的操作和存储等。

超材料的类EIT效应是指通过超材料模拟原子系统实现的类似电磁诱导透明的现象。此效应需要由半高宽一宽一窄的两个谐振相互耦合来产生。因此在超材料的一个谐振周期内需要存在两个谐振单元。这些谐振单元一般都是二维金属结构。但是由于金属损耗的存在，超材料谐振装置的Q值(quality factory，品质因子，谐振峰中心波长除以谐振峰半高全宽)和谐振强度无法同时提高，严重限制了超材料类EIT谐振装置在各个方面的应用。平板波导的导模(传输模式)具有较窄的半高宽，可以取代窄带谐振单元，简化结构并避免部分金属损耗。由二维周期分布的金属线条和平板波导构建的类EIT谐振装置由于结构简单，设计和制作都比较方便，是产生类EIT现象的首选方案之一。但是其仍然无法完全避免金属损耗对Q值的影响。因此如何同时提高Q值和谐振强度，进而提高群折射率(groupindex)、增强电磁波与物质相互作用成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种全介质超材料类EIT谐振装置，其谐振品质因子得到大幅提高，同时保持了高的谐振强度，为高群折射率的实现提供了更加可行的方案。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

本发明的一种全介质超材料类EIT谐振装置包括平板波导和二维周期性介质谐振器，所述平板波导包括第一介质层，所述二维周期性介质谐振器由置于第一介质层的上表面且呈二维周期性分布的长方体介质条构成，所述长方体介质条的折射率大于所述第一介质层的折射率。

本发明的另一种全介质超材料类EIT谐振装置由平板波导和二维周期性介质谐振器组成，所述平板波导包括第一介质层，所述二维周期性介质谐振器由置于第一介质层的上表面且呈二维周期性分布的长方体介质条构成，所述长方体介质条的折射率大于所述第一介质层的折射率。

进一步地，本发明所述平板波导还包括第二介质层，且第二介质层的折射率小于第一介质层的折射率，所述第一介质层置于第二介质层的上表面。

进一步地，所有长方体介质条的宽边均与入射电磁波的偏振方向平行，所有长方体介质条的长边均与入射电磁波的偏振方向垂直。

进一步地，本发明所述长方体介质条的长度和宽度分别满足以下条件：n·a＝1.95λ,0.74λ≤n·b≤1.19λ，其中，a表示长方体介质条的长度，b表示长方体介质条的宽度，n表示长方体介质条的折射率，λ表示入射电磁波在真空中的波长。

进一步地，本发明所述长方体介质条的宽度满足以下条件：n·b＝1.19λ。

进一步地，本发明所述平板波导的第一介质层的厚度和折射率满足以下公式(1)和(2)所示的条件：

P(sinθ+sin i)＝λ/n₁ (1)

其中，P为长方体介质条在Y轴方向的分布周期，i表示入射电磁波的入射角，θ表示入射电磁波的光栅衍射角，λ为入射电磁波在真空中的波长，d表示第一介质层的厚度，n₁为第一介质层的折射率，2Φ_c是第一介质层上表面的全反射相移，2Φ_s为第一介质层下表面的全反射相移，N是导模阶数，N为不小于零的整数。与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的全介质超材料类EIT谐振装置同时具有极高的Q值和谐振强度。谐振装置由平板波导和二维周期性介质谐振器分别提供窄带谐振和宽带谐振，完全避免了传统金属谐振器中的损耗影响，使产生的类EIT谐振同时具有高Q值和高谐振强度。进一步地，相比于其他形状的介质谐振器，二维周期性介质谐振器中的长方体介质条能产生半高宽较宽的Mie散射谐振，使产生的类EIT谐振的Q值和谐振强度进一步提高。本发明全介质超材料类EIT谐振装置，其Q值可达10⁴量级，透过率接近100％。高的谐振Q值实现了高群折射率，配合高透过率，使其在滤波器、高灵敏度传感及慢波器件等方面具有重要应用。

附图说明

图1为二维周期性介质谐振器中的长方体介质条呈两个周期的全介质超材料类EIT谐振装置的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1所示的实施例中，按照有限元法计算得到的在625～660纳米波段内二维周期性介质谐振器自身的透过率谱曲线。

图4为图1所示的实施例中，按照有限元法计算得到的在625～660纳米波段内全介质超材料类EIT谐振装置的透过率谱曲线。

图5为图1所示的实施例中，全介质超材料类EIT谐振装置在类EIT谐振波长附近计算得到的群折射率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细的说明。但是本发明能够以多种不同于本实施例的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在以下实施例中，工作于光波段637.7纳米波长的谐振装置，入射电磁波正入射，偏振状态为线偏光。在以下实施例中，采用本发明的全介质超材料类EIT谐振装置，其结构示意图如图1所示。谐振装置包括平板波导和二维周期性介质谐振器2。

其中，作为本发明的其中一种实施例，平板波导可只有一层介质层，即第一介质层11，平板波导1置于空气中，第一介质层的折射率n₁大于空气的折射率。本发明的平板波导可以有两层或两层以上的介质层。在本实施例中，如图1所示，除了第一介质层11外，平板波导还包括第二介质层12，且第二介质层12的折射率小于第一介质层11的折射率。第一介质层11置于第二介质层12的上表面。第一介质层11为传输层。可通过第一介质层11到上方空气界面的全反射和第一介质层11到下方空气(或第二介质层12)界面的全反射将电磁波限制在此传输层，从而形成导模。在本实施例中，第一介质层11为石英层，折射率n₁为1.46。

二维周期性介质谐振器2由置于第一介质层11的上表面且呈二维周期性分布的长方体介质条21构成。长方体介质条21的折射率n大于第一介质层11的折射率n₁。硅、碲、锗等折射率较高且不吸收入射电磁波的半导体材料是长方体介质条的优选材料。在本实施例，长方体介质条21由硅材料构成，折射率n为3.45。构成二维周期性介质谐振器2的长方体介质条21为标准长方体。在实际加工中，由于加工工艺、精度等因素的限制，经常采用带倒角的长方体，甚至是不规则的类似长方体的结构，这些都不影响其正常功能。在本实施例，以标准长方体为例。长方体介质条21的长度和宽度分别满足以下条件：

n·a＝1.95λ,

0.74λ≤n·b≤1.19λ，优选为n·b＝1.19λ

其中，a表示长方体介质条的长度，b表示长方体介质条的宽度，n表示长方体介质条的折射率，λ表示入射电磁波在真空中的波长。在本实施例中，长方体介质条的长度a为360纳米，宽度b为220纳米，厚度h选为100纳米。

图1中示出的全介质超材料类EIT谐振装置的俯视图如图2所示。其中，X轴方向为入射电磁波的偏振方向，所有长方体介质条21呈二维周期性分布，其中，长方体介质条的宽边均与X轴平行，所有的长方体介质条的长边均与Y轴平行,长方体介质条21在X轴方向的一个分布周期为Px，即长方体介质条21的宽边b和X轴方向相邻长方体介质条21的间距之和为Px；长方体介质条21在Y轴方向的一个分布周期为Py，即长方体介质条21的长边a和Y轴方向相邻长方体介质条21的间距之和为Py。在本实施例中，Px为400纳米，Py为440纳米。

为检验本实施例中的二维周期性介质谐振器2的频率特性，假设其所附着的平板波导1的厚度为无限大，从而不能产生导模，使用有限元计算得到在625～660纳米范围的透射率谱(如图3所示)。从图3中可以看出，在此频率范围内有一个很宽的谐振峰，其中心波长为637.7纳米，即为本实施例的二维周期性介质谐振器2产生的Mie谐振，由入射电磁波波长为637.7纳米时，二维周期性介质谐振器2及其周围的电磁场分布图(图中未示出)可以得出此谐振为磁偶极谐振(简称“磁谐振”)。

为使平板波导的导模频率同二维周期性介质谐振器2产生的Mie谐振频率相同，平板波导的第一介质层11的厚度和折射率满足以下公式(1)和(2)所示的条件：

P(sinθ+sin i)＝λ/n₁ (1)

其中，公式(1)为光栅一级衍射条件，P为呈周期性分布的长方体介质条沿Y轴方向的一个分布周期Py，i表示入射电磁波的入射角，λ为入射电磁波在真空中的波长，n₁为第一介质层11的折射率。由以上参数可以确定入射电磁波的光栅衍射角θ。公式(2)为平板波导的相位匹配条件。d表示第一介质层11的厚度，n₁为第一介质层11的折射率，2Φ_c是第一介质层11上表面的全反射相移，2Φ_s为第一介质层11下表面的全反射相移，N是导模阶数，N为不小于零的整数。在本实施例中，已知入射电磁波为正入射，入射角i＝0，波长为637.7纳米，第一介质层11的折射率n₁为1.46，并选取导模阶数为1，通过计算可知第一介质层11的厚度定为1600纳米。

用有限元法计算得到的本实施例的全介质超材料类EIT谐振装置在625纳米～660纳米的透射率谱曲线如图4所示。比较图3、图4在637.7纳米处有类EIT谐振峰。结合入射电磁波波长为637.7纳米时，全介质超材料类EIT谐振装置及其周围的电磁场分布图(未示出)得出其为平板波导的TE₀导模与二维周期性介质谐振器2的磁偶极谐振相互耦合形成的。具体地，周期性分布的长方体介质条21具有二维类光栅作用，入射的电磁波通过Y轴方向光栅衍射效应耦合到平板波导中形成TE₀导模，导模中心波长为637.7纳米，并具有非常窄的半高全宽。此导模和二维周期性介质谐振器2磁谐振的中心波长相近，并相互作用，产生了类EIT透射峰。此类EIT谐振的Q值高达14000，透过率高达99％。图5为本实施例的全介质超材料类EIT谐振装置在类EIT透射峰附近的群折射率。由图5可知，在类EIT透射峰附近有较高的群折射率，在637.7纳米处，群折射率n_g高达1783。

在使用过程中，令线偏振电磁波沿垂直于平行平板的方向穿过全介质超材料类EIT谐振装置，即可在637.7纳米处获得高达99％的透过率、14000的Q值和1783的群折射率。电磁波可从二维周期性介质谐振器所在的方向入射，也可以从相反的方向入射。

综上所述可知，本发明中，二维周期性介质谐振器本身具有谐振特性，根据Mie谐振原理可以产生一系列的Mie谐振。另外，二维周期性介质谐振器又具有类光栅作用，可使入射波发生衍射并与平板波导导模耦合。通过操控Mie谐振和导模谐振的相互作用，可以产生类EIT效应。使用本发明的全介质超材料类EIT谐振装置可以实现高品质因子谐振和高谐振强度，从而得到高的群折射率。由于本发明的全介质超材料类EIT谐振装置具有很高的谐振强度、Q值和很大的群折射率，可以广泛应用于光波段、太赫兹波段的高性能器件和超灵敏度传感器等。

Claims (7)

1.一种全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于：包括平板波导和二维周期性介质谐振器，所述平板波导包括第一介质层，所述二维周期性介质谐振器由置于第一介质层的上表面且呈二维周期性分布的长方体介质条构成，所述长方体介质条的折射率大于所述第一介质层的折射率。

2.一种全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于：由平板波导和二维周期性介质谐振器组成，所述平板波导包括第一介质层，所述二维周期性介质谐振器由置于第一介质层的上表面且呈二维周期性分布的长方体介质条构成，所述长方体介质条的折射率大于所述第一介质层的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于：所述平板波导还包括第二介质层，且第二介质层的折射率小于第一介质层的折射率，所述第一介质层置于第二介质层的上表面。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于：所有长方体介质条的宽边均与入射电磁波的偏振方向平行，所有长方体介质条的长边均与入射电磁波的偏振方向垂直。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于：所述长方体介质条的长度和宽度分别满足以下条件：n·a＝1.95λ,0.74λ≤n·b≤1.19λ，其中，a表示长方体介质条的长度，b表示长方体介质条的宽度，n表示长方体介质条的折射率，λ表示入射电磁波在真空中的波长。

6.根据权利要求5所述的全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于：所述长方体介质条的宽度满足以下条件：n·b＝1.19λ。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的全介质超材料类EIT谐振装置，其特征在于，所述平板波导的第一介质层的厚度和折射率满足以下公式(1)和(2)所示的条件：

P(sinθ+sini)＝λ/n₁ (1)

$2\·\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{1}dcos\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\Φ}}_s-2{\mathrm{\Φ}}_c=2N\mathrm{\π}---\left(2\right)$

其中，P为长方体介质条在Y轴方向的分布周期，i表示入射电磁波的入射角，θ表示入射电磁波的光栅衍射角，λ为入射电磁波在真空中的波长，d表示第一介质层的厚度，n₁为第一介质层的折射率，2Φ_c是第一介质层上表面的全反射相移，2Φ_s为第一介质层下表面的全反射相移，N是导模阶数，N为不小于零的整数。