CN110501821A

CN110501821A - 一种基于pt对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器

Info

Publication number: CN110501821A
Application number: CN201910923367.3A
Authority: CN
Inventors: 张晓萌; 余观夏; 梅长彤; 朱剑刚; 赵莉
Original assignee: Nanjing Forestry University
Current assignee: Nanjing Forestry University
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2019-11-26
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: CN110501821B

Abstract

本发明公开了一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，属于微型光电子器件领域。其包括介质基板，第一、二、三、四阵列分别位于介质基板的四角，并形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，第一阵列和第四阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱和第二增益柱，第二阵列和第三阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱和第二损耗柱，第一增益柱、第二增益柱与第一损耗柱、第二损耗柱满足宇称‑时间对称条件，第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列根据需要分别施加外磁场。本发明的波导分配器在不同的外磁场下，可实现电磁波在设计的任意1～4个通道的选择传播，也可在任意通道实现电磁的局域化。

Description

一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器

技术领域

本发明属于微型光电子器件领域，具体地说，涉及一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器。

背景技术

近年来，人工带隙材料尤其是光子晶体由于其优越的性能，已成为新一代智能材料的研究焦点，尤其是人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注，其特有的鲁棒边界态，具有缺陷免疫，背向散射抑制的传输特性，潜在应用前景巨大。

在量子力学系统中，若系统的哈密顿满足且与算符具有共同的本征矢量，那么系统具有非破缺的PT对称性，即哈密顿的势函数满足实部偶对称而虚部奇对称是系统具有非破缺PT(宇称-时间)对称性的必要非充分条件，反之为破缺的PT对称性。

虽然PT对称性在量子力学领域的含义仍在研究中，但是这些基本概念中有部分可以在光学中实现。在光子晶体波导中加入增益材料和耗散材料，由于波导系统增益材料和耗散材料的复数折射率同时满足折射率实部偶对称而虚部奇对称的条件及折射率实部相同而虚部相反，可以构成波导体系中PT对称系统。近年来，PT对称的光学波导体系被发现有很多独特的光学性质，在光子信息处理以及集成光学方面具有重要的应用价值，PT对称系统中出现的众多奇异现象如光能量振荡现象、非互易性的光传输，信号放大透射增强，光隔离等等，有巨大的潜在应用。

由磁光材料制成的磁光光子晶体具有频率依赖性的非对称磁导率张量。在外加直流磁场下，磁光材料具有非零和非对称非对角元素的各向异性磁导率或介电常数张量。能带结构是光子晶体特有的属性，在外静态磁场作用下，各向异性性质磁光材料构成的光子晶体禁带在Dirac点被打开，形成单向边态，打破了时间反转，呈现出单一群速度的的单向传播特性。

将磁光材料与PT结构相结合，形成一种特有可控新型材料结构。将此结构运用到二维光子晶体及波导设计中会产生特殊的光学传播特性。

公开日为2014年10月15日的中国专利201410363260.5公开了一种基于光子晶体波导的十字型环形器，信号可以从4个端口进入，但是只能从正交的相邻的端口输出；公开日为2015年4月29日的中国专利201410515362.4公开了一种紧凑型六端口光子晶体环形器，虽然有六个端口，但是同样只能从端口进入，从相邻端口输出，无法控制信号输出的方向和信号输出通道的数量，只能单向进入，确定方向单向输出，信号输出模式单一。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，可以实现单一端口信号输入，信号可控端口输出，可以实现L型、T型、横型等不同通道的传输，另外当信号作用在中心位置时，有多种传输方式，实现信号输出模式多样化。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，包括介质基板和位于所述的介质基板上的光子晶体圆柱阵列，所述的光子晶体圆柱阵列包括分别位于所述的介质基板的四角的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，所述的第一阵列和第四阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱和第二增益柱，所述的第二阵列和第三阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱和第二损耗柱，所述的第一增益柱和第二增益柱在泵浦光下呈现增益状态，所述的第一损耗柱和第二损耗柱在没有泵浦光时呈现高损耗状态，所述的第一增益柱、第二增益柱与所述的第一损耗柱、第二损耗柱满足宇称-时间对称条件，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列根据需要分别施加外磁场。

进一步地，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列的光子晶体柱材质为磁光子晶体。

更进一步地，所述磁光子晶体为铁氧体钇铁石榴石；在外加磁场下其相对介电常数为15ε₀，ε₀为真空介电常数，相对磁导率为张量形式，在1600高斯的静态外磁场下，μ₁＝14，μ₂＝±12.4，μ₂的方向由外磁场的方向决定，i是虚数单位。

进一步地，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列为晶格常数为a的正方晶格结构，；所述的第一增益柱、第一损耗柱、第二损耗柱和第二增益柱为单排结构。

更进一步地，光子晶体柱的半径为0.145a。

更进一步地，所述的单排结构的圆柱间距为a，圆柱的半径为0.20a。

进一步地，所述的第一增益柱和第二增益柱的相对介电常数为9-0.25i，所述的第一损耗柱和第二损耗柱的相对介电常数为9+0.25i，i为虚数单位，增益柱和损耗柱的相对磁导率为1。

更进一步地，所述的十字交叉的光子晶体波导的宽度为0.6a～1.5a。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的可调谐单向交叉波导分配器结合磁光介质与PT对称结构信号放大的优点，通过四部分光子晶体圆柱阵列外加磁场正负方向的改变，实现了信号传输方向完全可控，当单一端口进入时，可以选择性从单个通道或者多个通道输出，并且信号可以正交准直90°弯曲输出，也可以T型输出和直通道输出，这在设计光集成器件和光通信系统中有广阔的应用前景；当点源激发在中心位置时，可以通过外加磁场的变化，实现任意单个通道输出，横向或者纵向两个通道输出，当四部分都没有外加磁场时，可以实现四通道信号全输出；当外加相同方向磁场时，可实现光信号的局域化和电磁信号的存储。

(2)本发明的可调谐单向交叉波导分配器，是磁光材料的单向边界传输特性与PT对称结构，其非互易传输性质是受拓扑保护，该特性不同于普通的单边态，而是同时打破时间反演对称性与空间反演对称性导致的非互易性禁带中的单边态，具有明显的鲁棒性所以传输非常稳定，不因障碍物的存在而改变单向传输特性；同时后向散射抑制效果好，非互异性效果明显；可通过外磁场方向任意控制单边态的传播方向。

(3)本发明是利用磁光材料和PT对称结构时间和空间反演不对称性，产生特殊的单向边界态，而且这种具有拓扑结构的光器件，有极高的信噪比，可大大提高器件性能，而且对于免疫缺陷，受拓扑保护的对加工精度的要求并不苛刻，不依赖于极端的实验室环境，传输性能稳定。

(4)本发明的磁光材料的功分器属于微光电子器件，尺寸在纳米级别，传输效率高，可实现集成化。

附图说明

图1为本发明的可调谐单向交叉波导分配器的结构示意图；

图中：1、第一阵列；2、第二阵列；3、第三阵列；4、第四阵列；5、第一通道；6、第二通道；7、第三通道；8、第四通道；9、第一增益柱；10、第一损耗柱；11、第二损耗柱；12、第二增益柱。

图2为超胞采用上正下负的外磁场得到的能带图。

图3为实施例1得到的稳态电场Ez。

图4为实施例2得到的稳态电场Ez。

图5为实施例3得到的稳态电场Ez。

图6为实施例4得到的稳态电场Ez。

图7～10为实施例5得到的稳态电场Ez；

图7为第一阵列1和第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3和第四阵列4外加正方向磁场；图8为第一阵列1和第二阵列2外加正方向磁场，第三阵列3和第四阵列4外加负方向磁场；图9为第一阵列1和第三阵列3外加正方向磁场，第二阵列2和第四阵列4外加负方向磁场；图10为第一阵列1和第三阵列3外加负方向磁场，第二阵列2和第四阵列4外加正方向磁场。

图11～16为实施例6得到的稳态电场Ez；

图11为第一阵列1和第四阵列4外加正方向磁场，第二阵列2和第三阵列3外加负方向磁场；图12为第一阵列1和第四阵列4外加负方向磁场，第二阵列2和第三阵列3外加正方向磁场；图13为第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3外加正方向磁场，而第一阵列1和第四阵列4不外加磁场；图14为第一阵列1外加正方向磁场，第四阵列4外加负方向磁场，而第二阵列2和第三阵列3不外加磁场；图15为第一阵列1外加负方向磁场，第四阵列4外加正方向磁场，而第二阵列2和第三阵列3不外加磁场；图16为第二阵列2外加正方向磁场，第三阵列3外加负方向磁场，而第一阵列1和第四阵列4不外加磁场。

图17～20为实施例7得到的稳态电场Ez；

图17中仅有第一阵列1外加负方向磁场，图18中仅有第四阵列4外加负方向磁场，图19中仅有第四阵列4外加正方向磁场，图20中仅有第三阵列3外加负方向磁场。

图21为实施例8得到的稳态电场Ez。

图22为实施例9得到的稳态电场Ez。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

如图1所示的一种基于PT对称结构与旋磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，包括介质基板和位于介质基板上的光子晶体圆柱阵列，介质基板为长方形，其左上、右上、左下、右下四部分均设有光子晶体圆柱阵列，分别是第一阵列1、第二阵列2、第三阵列3和第四阵列4，该四个阵列均为正方晶格的铁氧体钇铁石榴石柱(YIG)，晶格常数为a，相对介电常数为ε₁＝15ε₀，圆柱的半径为0.145a。

第一阵列1、第二阵列2、第三阵列3和第四阵列4形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，第一阵列1和第四阵列4的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱9和第二增益柱12，第二阵列2和第三阵列3的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱10和第二损耗柱11，相邻两个增益柱或两个损耗柱之间的距离也为a，增益柱和损耗柱的半径为0.20a。第一增益柱9和第二增益柱12在泵浦光下呈现增益状态，第一损耗柱10和第二损耗柱11在没有泵浦光时呈现高损耗状态，第一增益柱9、第二增益柱12与第一损耗柱10、第二损耗柱11满足宇称-时间(PT)对称条件，一排增益柱和一排损耗柱在光学系统中构成局域PT结构，其特点是：相对介电常数由实部和虚部组成，对于增益圆柱其相对介电常数为9-0.25*i，损耗圆柱其相对介电常数为9+0.25*i。

第一增益柱9和第一损耗柱10之间为第一通道5，第一阵列1和第二损耗柱11之间为第二通道6，第一损耗柱10和第二增益柱12之间为第三通道7，第二损耗柱11和第二增益柱12之间为第四通道8，四个通道的宽度可以在0.6a～1.5a之间变化，在本发明的实施例中，四个通道的宽度为1.5a。

第一阵列1、第二阵列2、第三阵列3和第四阵列4可以选择性外加磁场或者不加磁场，当外加磁场时可以外加正或负方向的磁场，点源即光信号可以作用于通道中随意一点或者四个通道口，信号可以选择性的从4个端口任意一个进入也可以在十字波导的中心加载。

在宇称或时间反演对称性破缺的系统中，波动方程的解就可能以非成对的形式出现，从而出现单通现象，在光学中，作为可类比电子系统中整数量子霍尔效应的光学对应，磁光光子晶体中存在的单通边界态，正是由于其不变的平移对称性和空间反演对称性以及破缺的时间反演对称性造成的，在凝聚态物理方面，近年来在一类由损耗和增益材料构成的模型中，分别破坏了宇称(空间反演)和时间反演对称性却又是宇称-时间对称的，会使光产生非互异性传输的现象。也就是我们这种系统可以同时打破时间反演和空间反演对称性，这也使得我们设计的系统中的非互易性传输效果非常明显，而且是受拓扑保护的，具有抗干扰和绕过障碍物的功能，传输稳定。

当无磁场作用时，铁氧体的磁导率为μ₀＝1，当有0.16T稳恒偏置磁场作用时，可引发强烈的旋磁的各向异性，使得磁光YIG材料的磁导率表现为张量形式：

二维光子晶体的边界模式可以通过改进的平面波展开法得到。由麦克斯韦方程组中消去磁场分量得到：

方程中

利用周期结构的布洛赫原理，电场分量可进行如下展开：

上述方程中k为在第一布里渊区里面布洛赫波的波矢量，G为周期结构倒晶格空间晶格矢量，E(k+G)对应G的展开系数。磁导率张量中的元素可以展开成傅里叶级数形式：

该方程中：

其中Au为周期性结构中的维格纳-塞茨原胞面积。继续计算最后得出下列方程：

式中无穷多个倒晶格矢量G’的和。上述方程为矩阵的特征值方程，当我们先确定一个波矢k，由一个k对应一个矩阵特征方程组。对于给定的波矢量k，解出相应的特征角频率就能得到周期结构的能带，边界模式对应的频率就可以完全求解。

于是我们根据上述方法计算能带结构，首先我们将超胞采用上正下负的外磁场，计算出的能带图如图2所示，可以看到出现了单向的色散曲线，单向的能带代表一个方向的群速度。代表出现了单向边界传输模式，就是约束在磁光光子晶体边界的表面波，它的能流(或群速度)仅指向一个方向，因此本发明的结构可以实现单向传输。

当我们取单边态频域范围内某点的频率实现电磁信号的单向传输，同时我们能够控制外加磁场来实现光信号动态的存储和传输，并且具有单向边界态的抗干扰性，可以透过障碍稳定传输。当我们外加磁场的方向交换后，即上部分外加负方向磁场，下部分外加正方向磁场求解得到的能带结构完全相反，所示出现了群速度完全相反单向能带，这说明当上下部分外加磁场的方向交换，得到的单向传输的方向完全相反。

根据上述结果，我们可以将点源设置在四个通道的入口处，也可以设置在十字波导的中心，实现可调谐信号传输。对于任何一个通道来说，当有外加磁场时，上正下负向右传输，上负下正向左传输，同正或同负不传输。当上下没有外加磁场时，该通道信合可以传输。

实施例1

在本实施例中，信号从第二通道6输入，点源频率1.25e¹⁴Hz，第一阵列1和第二阵列2外加正方向磁场，第三阵列3和第四阵列4外加负方向磁场，计算得到的稳态电场Ez分布如图3所示。从图中可以看到，由于受拓扑保护，传输到纵向与横向传输交叉口时信号并没有散向纵向的通道，而是继续沿着横向波导结构，从第三通道7输出。

实施例2

在本实施例中，点电流源及其位置的设置与实施例1相同，不同的是：第三列阵3外加负方向磁场，其余三个列阵外加正方向磁场，得到的电场如图4所示。可以看到由于同向磁场对应无色散的水平能带以及反向磁场对应单向传输的能带，信号可以准直90度传播，从第四通道8输出，信号在外加磁场作用下自发弯折L型传输。由于是受到拓扑保护的，所以背向散射抑制效果明显，可以看到通道1和通道3没有漏波，没有信号输出。

实施例3

在本实施例中，点电流源及其位置的设置与实施例1相同，不同的是第一阵列1外加正方向磁场，其余三个阵列外加负方向磁场，计算得到的稳态磁场如图5所示。

对于第二通道6来说外加了上正下负的外磁场，所以信号单向向右传输，而由于第二阵列2、第四阵列4同样是负方向磁场，所以信号无法传输，而对于第一通道5来说，也是外加了上正下负的磁场，所以信号可以向右传输(即在第一通道5内传输)，这实现了光的单通道口进入，指定通道口输出。

实施例4

在本实施例中，点电流源及其位置的设置与实施例1相同，不同的是第一阵列1外加负方向磁场，第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3外加正方向磁场，第四阵列4外加正方向磁场，计算得到的稳态磁场如图6所示。

由于此时对于第一通道5来说是上负下正，所以信号单向向左传输，即信号从第二通道6进入，但是受到PT对称结构与拓扑特性带来的单向传输特性的控制，信号只能单向向左传输，即无法输出，起到了一个光隔离器的作用。

实施例5

在本实施例中，点源设置在十字波导的中心位置，点源频率1.25e¹⁴Hz，采用四部分磁光晶体全部外加磁场，我们采用如图7～10标注的方式外加磁场，计算得到电场Ez分布如图所示，其中图7为第一阵列1和第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3和第四阵列4外加正方向磁场；图8为第一阵列1和第二阵列2外加正方向磁场，第三阵列3和第四阵列4外加负方向磁场；图9为第一阵列1和第三阵列3外加正方向磁场，第二阵列2和第四阵列4外加负方向磁场；图10为第一阵列1和第三阵列3外加负方向磁场，第二阵列2和第四阵列4外加正方向磁场。可以看到我们通过四个阵列外加磁场，信号从第一通道，第二通道，第三通道或第四通道传输，实现了可选择性单通道信号传输。

实施例6

在本实施例中，点源设置同样位于十字波导的中心，中心频率1.25e¹⁴Hz，我们选择如图11～16所示的方式外加磁场，计算得到电场Ez分布如图所示。

其中，图11为第一阵列1和第四阵列4外加正方向磁场，第二阵列2和第三阵列3外加负方向磁场；图12为第一阵列1和第四阵列4外加负方向磁场，第二阵列2和第三阵列3外加正方向磁场；图13为第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3外加正方向磁场，而第一阵列1和第四阵列4不外加磁场；图14为第一阵列1外加正方向磁场，第四阵列4外加负方向磁场，而第二阵列2和第三阵列3不外加磁场；图15为第一阵列1外加负方向磁场，第四阵列4外加正方向磁场，而第二阵列2和第三阵列3不外加磁场；图16为第二阵列2外加正方向磁场，第三阵列3外加负方向磁场，而第一阵列1和第四阵列4不外加磁场。

可以看到通过控制外加磁场的方向，信号从4个通道中的两个输出，不仅可以实现横向，纵向双通道，也可以实现L型准直90°弯曲的双通道信号传输，而这种可选择通道的单向传播的主要因素是磁光光子晶体二维布里渊区中存在狄拉克简并态，在外界磁场作用下能带结构中两条由狄拉克点结合色散曲线发生分离，并且产生了不同于普通光子晶体的非零陈数能带之间的禁带称为非互易性禁带。这种情况下产生的单向传输是非常稳定的，不会因为障碍的存在而影响单向传输的特性。说明我们设计的该结构可以完全实现无障碍单向可调可控的多通道传输，实现了可选择性双通道信号传输。

实施例7

在本实施例中，点源设置同样位于十字波导的中心，中心频率1.25e¹⁴Hz，我们选择如图17～20所示的方式外加磁场，计算得到电场Ez分布如图所示。其中，图17中仅有第一阵列1外加负方向磁场，图18中仅有第四阵列4外加负方向磁场，图19中仅有第四阵列4外加正方向磁场，图20中仅有第三阵列3外加负方向磁场，从图中可以看出，采用四部分磁光子晶体中选择一部分外加磁场，实现了4通道中可选择性3通道信号传输。

实施例8

在本实施例中，点源设置同样位于十字波导的中心，中心频率1.25e¹⁴Hz，我们选择如图21所示的方式，在四个阵列中均外加正方向磁场，计算得到电场Ez分布如图所示，可以看出，对于任何一个通道而言，当我们采用上下外加相同方向磁场时，由于水平能带是群速度为零的，所以光波信号在其中无法传输，即实现光的局域，从我们计算得到的电场Ez也可以看出，四个通道中没有信号输出。

实施例9

在本实施例中，点源设置同样位于十字波导的中心，中心频率1.25e¹⁴Hz，我们选择如图22所示的方式外加磁场，计算得到电场Ez分布如图所示。

当我们在四部分的磁光晶体中不添加外加磁场时，此时对应于该十字波导超胞的能带图可以看到，该频率是对应于导波模式，没有单向传输特性，也没有平带的光聚束，所以信号可以在4个通道中传播，实现全通道信号输出。

Claims

1.一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，包括介质基板和位于所述的介质基板上的光子晶体圆柱阵列，其特征在于，所述的光子晶体圆柱阵列包括分别位于所述的介质基板的四角的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，所述的第一阵列(1)和第四阵列(4)的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱(9)和第二增益柱(12)，所述的第二阵列(2)和第三阵列(3)的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)，所述的第一增益柱(9)和第二增益柱(12)在泵浦光下呈现增益状态，所述的第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)在没有泵浦光时呈现高损耗状态，所述的第一增益柱(9)、第二增益柱(12)与所述的第一损耗柱(10)、第二损耗柱(11)满足宇称-时间对称条件，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)根据需要分别施加外磁场。

2.根据权利要求1所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)的光子晶体柱材质为磁光子晶体。

3.根据权利要求2所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，所述磁光子晶体为铁氧体钇铁石榴石；在外加磁场下其相对介电常数为15ε₀，ε₀为真空介电常数，相对磁导率为张量形式，在1600高斯的静态外磁场下，μ₁＝14，μ₂＝±12.4，μ₂的方向由外磁场的方向决定，i是虚数单位。

4.根据权利要求1所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)为晶格常数为a的正方晶格结构，；所述的第一增益柱(9)、第一损耗柱(10)、第二损耗柱(11)和第二增益柱(12)为单排结构。

5.根据权利要求4所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，光子晶体柱的半径为0.145a。

6.根据权利要求4所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，所述的单排结构的圆柱间距为a，圆柱的半径为0.20a。

7.根据权利要求1所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，所述的第一增益柱(9)和第二增益柱(12)的相对介电常数为9-0.25i，所述的第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)的相对介电常数为9+0.25i，i为虚数单位，增益柱和损耗柱的相对磁导率为1。

8.根据权利要求4所述的基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，其特征在于，所述的十字交叉的光子晶体波导的宽度为0.6a～1.5a。