CN110646958B - 一种基于磁光介质与pt对称结构的多通道信号选择器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器及其使用方法，属于微型光电子器件领域。该信号选择器包括介质基板和设置在其上的介质柱阵列，第一阵列和第三阵列对称地设置在介质基板的两端，第二阵列设置在第一阵列和第三阵列之间，第四阵列和第五阵列设置在第一阵列与第二阵列之间，第四阵列和第五阵列之间设有第一通道，第六阵列和第七阵列设置在第二阵列与第三阵列之间，第六阵列和第七阵列之间设有第二通道，第四阵列和第五阵列、第六阵列和第七阵列为宇称‑时间对称结构。本发明可通过改变外加磁场方向控制电磁信号在两个通道进行选择性传输，或实现信号局域存储，具有传输稳定、方向可控、多通道非互易性传输的优点。

Description

一种基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器及其使 用方法

技术领域

本发明属于微型光电子器件领域，具体地说，涉及一种基于磁光介质与PT对称结构的的多通道信号选择器及其使用方法。

背景技术

光子晶体是一种由多种材料周期或非周期性组成的人工合成材料，由于其对电磁波传播优良的控制能力，引来了越来越多的关注。磁光光子晶体作为一种特殊的光子晶体，当处于外加静态磁场作用下时它的磁导率或介电常数会呈现出张量形式，外加磁场会打破时间反演对称性使信号单向传输，这种在二维光子晶体内的单向传输电磁波模式是束缚在特定复合磁光晶体边界的传播态模式，它的产生类似于在强磁场作用下的量子霍尔效应，因此将其称之为光子晶体的边界态(edge states)。同时值得注意的是这种单向传播特性非常稳定，不受障碍物的影响可以稳定传输。这一现象为设计新型的非互易性光学器件提供了一种新的机制，相应研制的单向传输的光学器件成为研究的热点，比如新型磁光环形器、可调谐单向交叉波导分配器和磁光开关。

另一方面，在科学发展和现代社会的技术需求，光局域和慢光效应都占有非常重要的位置，涉及范围包括：光信息存储、增强的光信号、全光通信等。要实现光局域，一般采用外部机制实现，例如，使用金属材料致使光反射或者利用光子带隙。当光子晶体的周期性完整，由于其带隙特性，光流无法在当中传输，只有通过构造缺陷态局域光或者控制光的传输方向，如点缺陷是局部性破坏光子晶体周期结构，可以将光流“约束”在微腔之中。而在无缺陷下实现的光局域具有更加重要的实际意义，而且可调且容易实现的局域态非常重要，通过两点所对应的群速度方向相反，能流相向而行，相互抵消，导致光流速度变慢或者产生自陷现象。

同时近年来，宇称-时间(Parity-Time，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，与普通结构相比，PT对称系统中出现了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。

但是基于磁光材料与宇称-时间(PT)结构目前鲜有研究，特别是在二维光子晶体及波导设计中将磁光与PT结构相结合的结构及其特殊的光学特性研究结果鲜有耳闻，而且在现代微波和光通信中，在一个微光电子器件中同时具有光局域或磁存储和单向传输的非互易性特性目前鲜有报道，而当前迫切需要的正是设计研制具有复合多功能的新型元器件。

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对称结构和磁光材料的多通道信号选择器，该信号选择器充分利用了磁光介质与PT对称结构信号放大的优点，可实现光局域和方向可选可控的单向传输，本发明的另一目的在于提供该信号选择器的使用方法。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于磁光介质与PT对称结构的的多通道信号选择器，包括介质基板和设置在所述的介质基板上的介质柱阵列，所述的介质柱阵列包括第一阵列、第二阵列、第三阵列、第四阵列、第五阵列、第六阵列和第七阵列，所述的第一阵列和第三阵列对称地设置在所述的介质基板的两端，所述的第二阵列设置在所述的第一阵列和第三阵列之间，所述的第四阵列和第五阵列设置在所述的第一阵列与第二阵列之间，所述的第四阵列和第五阵列之间设有第一通道，所述的第六阵列和第七阵列设置在所述的第二阵列与第三阵列之间，所述的第六阵列和第七阵列之间设有第二通道，所述的第四阵列和第五阵列、所述的第六阵列和第七阵列分别为宇称-时间对称结构。

进一步地，所述的第一阵列、第二阵列和第三阵列为正方晶格结构，所述的第四阵列、第五阵列、第六阵列和第七阵列为单排结构。

更进一步地，所述的正方晶格结构的晶格常数为a，其中介质柱的半径为0.125a；所述的单排结构的晶格常数为a，其中介质柱的半径为0.24a；所述的第一通道和第二通道的宽度均为1.5a。

更进一步地，a为100nm。

进一步地，第一阵列、第二阵列和第三阵列均由磁光子晶体圆柱组成。

更进一步地，所述的磁光子晶体圆柱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，μ₁＝14,μ₂＝12.4，i是虚数单位。

进一步地，第四阵列和第六阵列均由衰减圆柱(loss圆柱)组成，第五阵列和第七阵列均由增益圆柱(gain圆柱)组成，所述的loss圆柱对入射光产生衰减作用，所述的gain圆柱对入射光产生增益作用。

更进一步地，所述的loss圆柱和gain圆柱的材质为InGaAsP量子阱半导体。

更进一步地，所述的loss圆柱的相对介电常数ε₂＝9ε₀+0.5i，所述的gain圆柱的相对介电常数ε₂＝9ε₀-0.5i，i为虚数单位，ε₀为真空介电常数，loss圆柱和gain圆柱的相对磁导率为1。

一种前述基于磁光介质与PT对称结构的的多通道信号选择器的使用方法，在第一阵列、第二阵列和第三阵列中分别施加正或负方向外磁场，光信号作用于第一通道和第二通道中的任意一点或四个通道口处。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的单排gain柱和单排loss柱组成PT对称系统，多通道信号选择器的非互易传输性质是基于磁光材料的单向边界传输特性与PT对称结构，该特性不同于普通的单边态而是打破时间反演对称性导致的非互易性禁带中的单边态，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。

(2)本发明采用磁光介质材料和PT对称结构结合的多通道结构，不同于传统非互易性传输器件，它对应两种模式完全不同的单向边界模式，而且都可以在特定频域范围内实现电磁信号的单向传输，后向散射抑制效果好，非互异性效果明显。

(3)本发明的多通道信号选择器可以通过外加相同方向磁场实现光信号的局域化和电磁信号的存储。

(4)本发明的多通道信号选择器可以根据铁氧体柱在外加磁场作用下表现出的单向传输特性，通过人为改变第一阵列、第二阵列、第三阵列部分磁场的正负来达到可选择性多通道电磁信号的传输，可以根据实际需要进行单通道、双通道信号传输或信号存储，磁响应时间短、反应灵敏，操作简单。

(5)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，但效果极佳，可实现集成化。

附图说明

图1为本发明的多通道功分器结构示意图；

图中：1、第一阵列；2、第二阵列；3、第三阵列；4、第四阵列；5、第五阵列；6、第六阵列；7、第七阵列；8、第一通道；9、第二通道；

图2为上部分外加正方向磁场，下部分外加负方向磁场时得到的能带结构；

图3为上部分外加负方向磁场，上部分外加正方向磁场时得到的能带结构；

图4为当采用上下外加相同方向磁场时计算出的复合光子晶体能带图，对应特征场分布；

图5为实施例1得到的稳态电场Ez；

图6为实施例2得到的稳态电场Ez；

图7为实施例3得到的稳态电场Ez；

图8为实施例4得到的稳态电场Ez；

图9为实施例5得到的稳态电场Ez；

图10为实施例6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所示的一种基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器，包括长方形的介质基板，介质基板上设有光子晶体圆柱阵列，介质基板的一侧设有第一阵列1，中部设有第二阵列2，另一侧设有第三阵列3，第一阵列1与第二阵列2之间设有第四阵列4和第五阵列5，第四阵列4和第五阵列5之间设有第一通道8；第二阵列2与第三阵列3之间设有第六阵列6和第七阵列7，第六阵列6和第七阵列7之间设有第二通道9，该信号选择器置于空气环境中。

第一阵列1、第二阵列2和第三阵列3为正方晶格的铁氧体钇铁石榴石柱(YIG)，晶格常数为a＝100nm，圆柱的半径为0.125a，相对介电常数为ε₁＝15ε₀，ε₀为真空介电常数，相对磁导率为张量形式，μ₁＝14,μ₂＝12.4，i是虚数单位。

第四阵列4和第六阵列6是由一排loss圆柱组成，第五阵列5和第七阵列7是由一排gain圆柱组成。loss圆柱和gain圆柱的材料是InGaAsP，折射率为3，这是一种量子肼半导体材料，在没有泵浦光照射的时候相对介电常数是损耗的，即带有正的虚部(loss圆柱)，而在受到泵浦光照射以后，其相对介电常数是增益的，即带有负的虚部(gain圆柱)。loss圆柱对入射光产生衰减作用，gain圆柱对入射光产生增益作用，相邻的一排loss圆柱和一排gain圆柱组成宇称-时间(PT)对称结构。

在本发明中，gain圆柱的相对介电常数ε₂＝9ε₀-0.5i，loss圆柱的相对介电常数ε₂＝9ε₀+0.5i，i为虚数单位，ε₀为真空介电常数，loss圆柱和gain圆柱的相对磁导率为1。这样的结构形成了两个通道，即第一通道8和第二通道9，两个通道的宽度均为1.5a。

第一阵列1，第二阵列2和第三阵列3的磁光子晶体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。

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。G和G’都具有N个不同的值，当G’确定是，得到一个求解N个G值的线性方程组，从而将问题转化成求解N个矩阵本征值的问题。所以对于给定的波矢量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，可以看到出现了两条单边态色散曲线，一条单向的能带代表一个方向的群速度。这两条色散曲线的群速度方向相同，代表出现了两种单向边界传输模式，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。因此该结构可以实现单向传输。我们可以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，图3所示出现了群速度完全相反的两条能带，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。我们可以通过外加不同正负方向的磁场来实现完全控制信号方向的传输。而且值得注意的是该独特的PT结构和磁光光子晶体的组合使得出现了两条平行的单向能带，说明对应了两种完全不同模式的单向传播模式。一种对应在PT对称结构传播的偶模模式，一种对应在磁光晶体和PT结构边界的奇模模式。

而当我们外加方向相同的磁场时(同加正方向或负方向磁场)计算得到的能带结构如图4所示，由于该结构是由磁光材料和宇称-时间组成的，所以可能会出现特殊的耦合和传输模式。首先我们上下部分铁氧体外加正负方向相同的外加磁场，gain柱和loss柱的相对介电常数取9-0.5i和9+0.5i。根据能带理论计算得到的能带结构如图2和3所示，可以看到有一条非常水平的色散曲线位于能带结构的第二禁带中。水平能带即意味着其群速率接近于零，因此光在该波导中传输速度接近于零，好像在波导中停止了一样，可以实现光的局域化和自陷态。该水平的色散曲线非常的重要，我们根据该水平能带计算得到超胞的特征频率时的Ez分布可以看到电场集中在PT对称系统与磁光材料铁氧体介质柱的边界处，该水平能带频率的光可以以接近于零的群速度在波导中传输，对于慢光波导和磁存储有重要的意义.

实施例1

本实施例中，在第一通道8的中心和第二通道9的中心同时加载点源(以五角星表示点源)，点源频率为1.255e14Hz，第一阵列1外加负方向磁场，第二阵列2外加正方向磁场，第三阵列3外加负方向磁场，计算得到的稳态电场Ez分布图如图5所示，可以看到由于磁光材料与PT对称结构的影响，外加磁场打破了时间反演对称性，使得信号单向传输。而且由于第一阵列1的磁光子晶体外加负方向磁场，第二阵列2的磁光子晶体外加正方向磁场，外加磁场上负下正使信号向左传输，而对应第二通道9来说，外加磁场上正下负导致信号向左传输。所以信号从左上和右下方传输，右上和左下完全没有信号传输，实现了方向可调的单向传输。

实施例2

本实施例的点电流源及其位置的设置与实施例1相同，不同的是磁光晶体的外加磁场方向全部发生变化，即第一阵列1外加正方向磁场，第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3外加正方向磁场。对铁氧体材料来说，外加磁场的改变意味着磁化方向的不同对应相反方向的单向传输模式。从图6可以看到，由于三部分磁光晶体外部磁场方向改变，信号虽然同样是从第一通道8和第二通道9的中心加载，但是第一通道8的信号向右传输，而第二通道9的信号向左传输，同时反向抑制散射性极好，几乎完全没有漏波从反向传播，信号的传输方向和实施例1完全相反。实现了控制磁场方向控制信号传输方向的非互易性多通道信号传输。

实施例3

本实施例的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、第二阵列2，第三阵列3全部添加正方向磁场，得到的稳态磁场如图7所示。因为我们点电流源加载的是对应平带频率，计算得到的对应该水平能带频率1.255e14Hz时的电场Ez分布图可以看到光信号完全束缚在点源附近，向两边的传输几乎被完全抑制，说明光已经无法再进行传输。这条水平能带产生的原因是因为上下两个单向边界模式的群速度方向相反，点源作用波导中间点源时，单向边界模式反向耦合使能流出现涡流状的环流，使信号无法传输，沿波导传输的群速度近似为零。而且这种磁光-PT结构波导的光局域现象优点在于无需通过设置障碍或者缺陷，而且是一个可调且容易实现的光局域态，在波导的任何部分都可以实现。

实施例4

本实施例的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添加负方向磁场，第二阵列2添加正方向磁场，第三阵列3添加正方向磁场。计算得到稳态电场Ez如图8所示。

在这种外加磁场的作用下由于第一阵列1和第二阵列2对应外加磁场不同，第一通道8内的信号可以实现单向传输。而对应第二通道9，由于第二阵列2和第三阵列3的外加磁场方向相同，所以两个单向群速度相互抵消使光波完全束缚在电源，无法向两侧传输。这也是该结构独特之处，不仅可以通过调节外加磁场控制传播的方向，而且可以控制信号是否传输，实现光局域束缚增强。

实施例5

本实施例的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添加正方向磁场，第二阵列2添加正方向磁场，第三阵列3添加负方向磁场，外加磁场方向和实施例4完全相反，计算得到稳态电场Ez如图9所示。

在这种外加磁场条件下，由于第一通道8的上下磁光晶体外加方向相同的磁场，所以第一通道8的电磁信号的传播被抑制，信号不传输。而第二通道9由于上下磁场方向相反所以出现明显的非互易性效应从而出现了单边态传输，可以看到向左的电磁场被完全抑制，电磁信号全部向右传播，实现了高效率可控可调节的可选择通道信号传输。

实施例6

本实施例的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添加正方向磁场，第二阵列2添加负方向磁场，第三阵列3添加正方向磁场，计算得到稳态电场Ez如图10所示。

通过计算能带图我们发现该结构对应了两条平行的单向能带，也就是说出现了两种不同模式的单边态，这在普通的非互易性传输器件中很难见到。两种不同的边界单向传输模式位于的边界不同，一种是位于gain和loss柱组成的PT对称系统中(第四阵列4与第五阵列5之间、第六阵列6与第七阵列7之间)，电磁信号在时间反演对称性破坏的情况下，被抑制在磁光光子晶体的表面上，并且传输方向完全由外界磁场确定。另一种是处于铁氧体组成的磁光子晶体与PT对称系统的边界处(第一阵列1与第四阵列4之间、第二阵列2与第五阵列5之间、第二阵列2与第六阵列6之间、第三阵列3与第七阵列7之间)，所以将点源设置在位于铁氧体阵列与PT对称结构的边界(即图10中五角星所示)可以看到，激发了完全不同的传播模式，是一种明显的奇模，同样因为第一通道8的上下磁场不同，第二通道9上下磁场方向实现了上下两个通道传输方向完全相反的单边态。而且值得注意的是这两种单边态与其他单向传输模式相比具有更大的优势，因为都是可以通过外加磁场方向的不同来完全实现传输方向的控制。而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。

Claims (5)

1.一种基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器，包括介质基板和设置在所述的介质基板上的介质柱阵列，其特征在于，所述的介质柱阵列包括第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)、第四阵列(4)、第五阵列(5)、第六阵列(6)和第七阵列(7)，所述的第一阵列(1)和第三阵列(3)对称地设置在所述的介质基板的两端，所述的第二阵列(2)设置在所述的第一阵列(1)和第三阵列(3)之间，所述的第四阵列(4)和第五阵列(5)设置在所述的第一阵列(1)与第二阵列(2)之间，所述的第四阵列(4)和第五阵列(5)之间设有第一通道(8)，所述的第六阵列(6)和第七阵列(7)设置在所述的第二阵列(2)与第三阵列(3)之间，所述的第六阵列(6)和第七阵列(7)之间设有第二通道(9)，第四阵列(4)和第五阵列(5)、第六阵列(6)和第七阵列(7)分别组成宇称-时间对称结构；

第一阵列(1)、第二阵列(2)和第三阵列(3)均由磁光子晶体圆柱组成；

第四阵列(4)和第六阵列(6)均由衰减圆柱组成，第五阵列(5)和第七阵列(7)均由增益圆柱组成，所述的衰减圆柱对入射光产生衰减作用，所述的增益圆柱对入射光产生增益作用；

所述的衰减圆柱和增益圆柱的材质为InGaAsP量子阱半导体；

所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)和第三阵列(3)为正方晶格结构，所述的第四阵列(4)、第五阵列(5)、第六阵列(6)和第七阵列(7)为单排结构；

在第一阵列(1)、第二阵列(2)和第三阵列(3)中分别施加正或负方向外磁场，光信号作用于第一通道(8)和第二通道(9)中的任意一点或四个通道口处。

2.根据权利要求1所述的基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器，其特征在于，所述的正方晶格结构的晶格常数为a，其中介质柱的半径为0.125a；所述的单排结构的介质柱间距为a，其中介质柱的半径为0.24a；所述的第一通道(8)和第二通道(9)的宽度均为1.5a。

3.根据权利要求2所述的基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器，其特征在于，a为100nm。

4.根据权利要求1所述的基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器，其特征在于，所述的磁光子晶体圆柱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，μ₁＝14,μ₂＝12.4，i是虚数单位。

5.根据权利要求1所述的基于磁光介质与PT对称结构的多通道信号选择器，其特征在于，所述的衰减圆柱的相对介电常数ε₂＝9ε₀+0.5i，所述的增益圆柱的相对介电常数ε₂＝9ε₀-0.5i，i为虚数单位，ε₀为真空介电常数，衰减圆柱和增益圆柱的相对磁导率为1。