CN107015295B - 一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，包括如下步骤，S1:选取蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵，所述蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵包括两个交错的三角形晶格，S2:改变柱体大小，但要保持每个交错晶格中包含的柱体大小一致，实现空间对称性破缺，S3：对柱体施加偏置磁场，利用外加偏置磁场来实现时间反演对称性破缺。该蜂窝结构的旋磁光子晶体单向体波传输方法，通过二维蜂窝点阵结构的旋磁性光子晶体内交错晶格中的不同的柱体大小实现空间对称性破缺，并通过应用外加偏置磁场实现时间反演对称性破缺，从而解决了旋磁光子晶体单向体波的非互易特性传输，整个传输过程较为稳定，非互易特性传输的入射角度较宽。

Description

一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法
技术领域
本发明涉及光子晶体单向体波传输技术领域，具体为一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法。
背景技术
在光学中，空间反转对称性与时间反演对称性相互作用限制了波矢k的物理特性。为了出现显著的非互易的传输，当空间、时间反演对称性同时被破缺的时候，非互易光子晶体中即可以产生单通的现象，即ω(k)≠ω(-k)，k、-k表示一对相对传输的波矢。例如旋磁性光子晶体在外加饱和磁场作用下，磁导率的斜对角项具有虚部，使得时间反演对称性破缺，产生了单向边界态。另外可以通过破缺基元的空间对称性，实现了体波的非互易传输。
蜂窝结构在拓扑绝缘体方面引起了广泛关注。但是基于蜂窝结构依靠同时破缺空间、时间对称性实现系统的体波非互易性传输研究较少。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，解决了利用蜂窝结构实现体波非互易传输方面的问题。目前，基于蜂窝结构依靠同时破缺空间、时间对称性实现系统的体波非互易性传输研究较少。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，包括如下步骤：
S1:选取蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵，所述蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵包括两个交错的三角形晶格；
S2:改变柱体大小，但要保持每个交错晶格中包含的柱体大小一致，实现空间对称性破缺；
S3：对柱体施加偏置磁场，利用外加偏置磁场来实现时间反演对称性破缺。
优选的，所述时间反演对称性破缺，通过沿铁氧体柱体轴向饱和磁化，铁氧体磁导率变成张量形式，通过张量磁导率的斜对角项的虚部来破缺系统的时间反演对称性。
优选的，两个三角形晶格反向交错设置。
优选的，两个三角形晶格的晶格常数相等。
优选的，两个三角形晶格中不同的铁氧体柱通过A和B标注，半径rA≠rB。
(三)有益效果
本发明具备以下有益效果：该蜂窝结构的旋磁光子晶体单向体波传输方法，通过二维蜂窝点阵结构的旋磁性光子晶体内交错晶格中的不同的柱体大小实现空间对称性破缺，并通过应用外加偏置磁场实现时间反演对称性破缺，从而解决了旋磁光子晶体单向体波的非互易特性传输，整个传输过程较为稳定，非互易特性传输的入射角度较宽。
附图说明
图1为本发明中钇铁石榴石(YIG)铁氧体柱构成的蜂窝点阵光子晶体结构示意图；
图2为本发明中旋磁性光子晶体能带结构示意图；
图3为本发明中在外加偏置磁场900Oe的单向群速度的能量传输仿真图；
图4为本发明中旋磁性光子晶体第一布里渊区的等频图；
图5为本发明中沿ΓM方向偏移+/-30°角度入射的传输参数测量图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请受国家自然科学基金项目(61701187)、江苏省高校自然科学研究面上项目(16KJB51004)、重点研发计划(工业及信息化)(HAG2015039)、江苏省2016年大学生实践创新训练计划项目(201610323020Z)支持。
本发明提供一种技术方案：一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，包括如下步骤：
发明提供一种技术方案：一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，包括如下步骤：
S1:选取蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵，所述蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵包括两个交错的三角形晶格，两个三角形晶格反向交错设置，两个三角形晶格的晶格常数相等，两个三角形晶格中不同的铁氧体柱通过A和B标注，半径rA≠rB；
S2:改变柱体大小，但要保持每个交错晶格中包含的柱体大小一致，实现空间对称性破缺；
S3：对柱体施加偏置磁场，利用外加偏置磁场来实现时间反演对称性破缺。所述时间反演对称性破缺，通过沿铁氧体柱体轴向饱和磁化，铁氧体的磁导率变成张量形式，通过张量磁导率的斜对角项的虚部来破缺系统的时间反演对称性。
参阅图1，在蜂窝结构的旋磁性光子晶体中，两个反向交错的三角形晶格中铁氧体柱的横向界面半径标注为A和B，为了破缺蜂窝结构的空间对称性，使柱A、柱B的半径不同，半径分别为rA＝0.2a、rB＝0.13a。交错的三角形点阵的晶格常数相同，晶格常数为10mm。
参阅图2，通过有限元方法计算了不可约布里渊区以及关于Γ点对称的区域的能带特性。0.45(2πc/a)附近的能带在ΓΜ、ΓΜ’方向是基本对称的，但是k所对应其它能带是比较明显不对称的。深色区域对应的能带在k正向区域有个明显的凹形，k负向区域没有凹形对应的频率，这意味着该频率区域能带是非互易的，系统在该频率区域可以实现单向体波传输。
参阅图3，为了验证上面根据等频图实现单向传输的正确性，我们仿真了该结构的光子晶体阵列的能量传输，如图3(a)所示，入射为宽度8a的平面波束，光子晶体阵列的纵向厚度为16层，当入射频率0.473(2πc/a)以-30°入射到光子晶体与空气的交界面上时，能量波束发生负折射，这与图2所示Vg的所示方向是一致的，经过光子晶体阵列负折射入射到空气中，能量在较少损耗的情况下实现能量传输，另外，在0.473(2πc/a)的等频曲线的弯曲度接近0，可认为在光子晶体阵列传输的波束是非衍射的，即自准直传输，传输时能量波束在光子晶体阵列中基本没有出现光束的衍射。(b)仿真了上方右侧-30°入射的情况，入射波束被完全反射回来了。(c)和(d)是关于(a)和(b)的对称情况仿真，也具有类似单向体波模式传输特性。
参阅图4，该等频图能较清晰的反映光子晶体内体波的单向传输原理。在频率0.441(2πc/a)-0.493(2πc/a)之间存在一个凹形区域，在等频图上频率0.493(2πc/a)-0.504(2πc/a)之间存在一个凸形区域，这些区域相对于y轴是不对称的。我们通过一个例子进行简单说明，如频率为0.473(2πc/a)的电磁波相对于y轴+/-30°入射到光子晶体阵列的情况。30°入射是指从左下向右上入射时与y轴的夹角，以kair表示。反向入射波束用k’air表示。白色的圆、曲线分别表示空气、光子晶体中的0.473(2πc/a)等频曲线。kair，k’air都与空气对应的白色等频率圆存在交叉点，经过该点向x轴做垂直线段，可以发现kair方向会与光子晶体对应的0.473(2πc/a)等频线有交叉点，在该交叉点做等频曲线的法向分量，以Vg标示，Vg为光子晶体内部波束传输的群速度。在频率0.473(2πc/a)以30°入射到光子晶体与空气的交界面上时，存在折射波束。当频率0.473(2πc/a)以-30°入射到光子晶体与空气的交界面上时，而k’air方向与光子晶体的0.473(2πc/a)等频线是没有交叉点的，即仅仅存在反射波束，不能在光子晶体内部传输。同理，我们可以在该等频图中观察到存在较大范围的单向的频率区域，特别对于0.481(2πc/a)，它的单向入射角度可以接近0°-60°。
参阅图5，实验进行传输谱测量，铁氧体采用商用YIG材料，圆柱高度为10mm，其它参数与上述仿真相同，柱体阵列被吸波材料包围，探针固定在阵列的上下金属盖板两侧用于测试阵列的传输的S参数，图4给出了测试结果，图中13.3-14.79GHz(对应于0.443(2πc/a)-0.493(2πc/a)))(灰色区域)范围中S21与S12有较大的差异，相差大约15dB，较好的表明光子晶体具有单方向传输特性，前向传输参数S12大于后向传输参数S21，在13.2GHz处具有最大的差异，大约23dB，中心相对带宽约为6.5％。
该蜂窝结构的旋磁光子晶体单向体波传输方法，通过二维蜂窝点阵结构的旋磁性光子晶体内交错晶格中的不同的柱体大小实现空间对称性破缺，并通过应用外加偏置磁场实现时间反演对称性破缺，从而解决了旋磁光子晶体单向体波的非互易特性传输，整个传输过程较为稳定，非互易特性传输的入射角度较宽。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1:选取蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵，所述蜂窝结构旋磁性光子晶体点阵包括两个交错的三角形晶格；
S2:改变柱体大小，但要保持每个交错晶格中包含的柱体大小一致，实现空间对称性破缺；
S3：对柱体施加偏置磁场，利用外加偏置磁场来实现时间反演对称性破缺。
2.根据权利要求1所述的一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，其特征在于：所述时间反演对称性破缺，通过沿铁氧体柱体轴向饱和磁化，铁氧体磁导率变成张量形式，通过张量磁导率的斜对角项的虚部来破缺系统的时间反演对称性。
3.根据权利要求1所述的一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，其特征在于：两个三角形晶格反向交错设置。
4.根据权利要求1所述的一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，其特征在于：两个三角形晶格的晶格常数相等。
5.根据权利要求1所述的一种蜂窝结构旋磁光子晶体单向体波传输方法，其特征在于：两个三角形晶格中不同的铁氧体柱通过A和B标注，半径rA≠rB。
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