CN107422406B - 一种基于双狄拉克点的单向光传输器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于双狄拉克点的单向光传输器及设计方法，所述单向光传输器由多个蜂窝状光子晶体组成，所有光子晶体构成一个梯形棱镜，该梯形棱镜的入射面和出射面分别为“扶手椅型”和”胡子”型边界，两边为“锯齿”型边界。本发明实现在任意频率的光的单向传输。

Description

一种基于双狄拉克点的单向光传输器及设计方法
技术领域
本发明涉及微结构光子晶体元件，具体指一种基于双狄拉克点的单向光传输器及其设计方法。
背景技术
单向传输器件是光通信系统中的基本元件，在光学计算和信息处理的过程中扮演着重要的角色，为了避免反射光影响光源、光放大器等有源器件的正常工作，保证光学系统的稳定性，在光路中设置光波单向传输器是必不可少的。
光子晶体是一种不同介质在空间呈周期性分布的人工合成的材料，由于其晶格常数和工作波长在一个数量级上，基于光子晶体的单向传输器件更易于实现高度集成化，适应光电集成的发展趋势。目前实现光波单向传输的光子晶体主要分为两种：一种是利用在光子晶体中加入的磁性材料的旋光效应(Zamani M,Ghanaatshoar M.Adjustablemagneto-optical isolators with flat-top responses.[J].Optics express,2012,20(22):24524-35.)；另一种则是利用在光子晶体中加入的非线性材料的非线性效应(Xu Y,Miroshnichenko A E.Reconfigurable nonreciprocity with a nonlinear Fano diode[J].Physical Review B,2013,89(13):134306.)。但前者需要外界磁场的作用实现旋光，后者需要高功率的入射光产生非线性效应，两者在实际应用中都不是很便利。近年来，人们发现类似于石墨烯中存在电子的狄拉克锥形色散关系，光子晶体中也存在狄拉克锥形色散能带，并且在狄拉克点附近具有零折射率的特性，这对构造任意频率的单向传输具有重要意义(Gao H,Zhou Y S,Zheng Z Y.Broadband unidirectional transmission realizedby properties of the Dirac cone formed in photonic crystals[J].Journal ofOptics,2016,18(10):105102.)。
因此，本发明人利用蜂窝状光子晶体中双狄拉克点的特殊性质，设计了一种光子晶体梯形棱镜，能实现在任意频率的光的单向传输。
发明内容
本发明的技术目的在于提出一种基于双狄拉克点的单向光传输器及设计方法，可以通过调整光子晶体的晶格常数a和介质柱占空比f，实现在任意频率的光的单向传输。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于双狄拉克点的单向光传输器，其由多个蜂窝状光子晶体组成，所有光子晶体构成一个梯形棱镜，该梯形棱镜的入射面和出射面分别为“扶手椅型”和”胡子”型边界，两边为“锯齿”型边界。
所述梯形棱镜为直角梯形。
上述一种基于双狄拉克点的单向光传输器的设计方法，包括以下步骤：
第一步、结合数值和仿真与分析，计算蜂窝状光子晶体的能带结构；
第二步、调整蜂窝状光子晶体中的介质柱的占空比f，实现在布里渊区中心的双狄拉克点；
第三步、依据双狄拉克点的晶格常数a与介质柱占空比f，构造光子晶体梯形棱镜，并将梯形棱镜的入射面和出射面设计分别为“扶手椅(armchair)”型和”胡子(bearded)”型边界，两边设计为“锯齿(zigzag)”型边界。
在所述第三步之后，还包括：
第四步、将构造的光子晶体梯形棱镜置于直波导中，对其进行仿真分析，得到所设计的单向光传输器的仿真结果。
所述第四步中仿真分析采用的是有限元数值方法。
所述第二步中，在实现布里渊区中心的双狄拉克点后，微调晶格常数a以使双狄拉克点频率位于期望的工作频率。
所述梯形棱镜在保持各边界形状不变的前提下可增大或减小其边长。
采用上述方案后，本发明具有以下特点：本发明结构紧凑，能够实现在光电系统中高度集成，通过调整光子晶体晶格常数a和介质柱占空比f实现任意频率的光的单向传输，且采用的理论成熟，能带易于计算。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
附图说明
图1是蜂窝状光子晶体的能带结构图；
图2是双狄拉克点处的四个简并模式的光场分布图；
图3是本发明所设计的光子晶体梯形棱镜结构图；
图4是本发明所设计的单向光传输器的仿真结果图。
具体实施方式
如图3所示，本发明涉及的一种基于双狄拉克点的单向光传输器，其由多个蜂窝状光子晶体组成，该蜂窝状光子晶体采用较常见的介质材料(硅)，所有光子晶体构成一个梯形棱镜，梯形棱镜为直角梯形，该梯形棱镜的入射面和出射面分别为“扶手椅型”和”胡子”型边界，两边为“锯齿”型边界。需要说明的是：扶手椅型、胡子型和锯齿型均是本领域常用的形状描述术语。
本发明还揭示了上述单向光传输器的设计方法，包括以下步骤：
第一步、结合数值和仿真与分析，计算蜂窝状光子晶体(硅介质柱周期性地分布于空气中)的能带结构；
第二步、调整蜂窝状光子晶体中的介质柱的占空比f(介质柱占空比f＝r/a，r是介质柱半径)，实现在布里渊区中心的双狄拉克点，在实现布里渊区中心的双狄拉克点后，微调晶格常数a以使双狄拉克点频率位于期望的工作频率；计算结果如图1所示，在晶格常数a＝1.18um，介质柱半径r＝0.23112a时，在布里渊区中心出现双狄拉克点，且其频率为193.45THz(～1.55um)，图2中(a)-(d)为双狄拉克点处的四个简并模式的光场分布；
第三步、依据双狄拉克点的晶格常数a与介质柱占空比f，构造光子晶体梯形棱镜，并将梯形棱镜的入射面和出射面设计分别为“扶手椅(armchair)”型和”胡子(bearded)”型边界，两边设计为“锯齿(zigzag)”型边界。所设计梯形棱镜在保持各边界形状不变的前提下可增大或减小其边长，即增加或减小硅介质柱的数量。所设计梯形棱镜如图3所示；
第四步、将构造的光子晶体梯形棱镜置于直波导中，采用有限元数值方法对其进行仿真分析，得到所设计的单向光传输器的仿真结果。图4中，(a)为平面波从“扶手椅(armchair)”型边界面入射时的光场分布图，平面波可以通过梯形棱镜，几乎不发生相位变化；(b)为平面波从”胡子(bearded)”型边界面入射时的光场分布图，平面波几乎被完全反射，无法通过梯形棱镜。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于双狄拉克点的单向光传输器的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括以下步骤：
第一步、结合数值和仿真与分析，计算蜂窝状光子晶体的能带结构；
第二步、调整蜂窝状光子晶体中的介质柱的占空比f，实现在布里渊区中心的双狄拉克点；
第三步、依据双狄拉克点的晶格常数a与介质柱占空比f，构造光子晶体梯形棱镜，并将梯形棱镜的入射面和出射面设计分别为“扶手椅”型和”胡子”型边界，两边设计为“锯齿”型边界；
第四步、将构造的光子晶体梯形棱镜置于直波导中，对其进行仿真分析，得到所设计的单向光传输器的仿真结果。
2.如权利要求1所述的一种基于双狄拉克点的单向光传输器的设计方法，其特征在于：所述第四步中仿真分析采用的是有限元数值方法。
3.如权利要求1所述的一种基于双狄拉克点的单向光传输器的设计方法，其特征在于：所述第二步中，在实现布里渊区中心的双狄拉克点后，微调晶格常数a以使双狄拉克点频率位于期望的工作频率。
4.如权利要求1所述的一种基于双狄拉克点的单向光传输器的设计方法，其特征在于：所述梯形棱镜在保持各边界形状不变的前提下可增大或减小其边长。
5.如权利要求1所述的一种基于双狄拉克点的单向光传输器的设计方法，其特征在于：所述梯形棱镜为直角梯形。
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