CN113777673A - 一种可定向抑制或增强光波反射率的反pt对称光子多层结构 - Google Patents

一种可定向抑制或增强光波反射率的反pt对称光子多层结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可定向抑制或增强光波反射率的反PT对称光子多层结构，由两个Octonacci序列光子多层复合而成，所述两个Octonacci序列光子多层关于原点呈反PT对称分布；该反PT对称系统由两种折射率不同的基质电介质薄片依次堆叠而形成；Octonacci序列在数学上是一种准周期序列，其迭代规则为：当N=1时，S1=A；当N=2时，S2=B；当N≥3时，SN=SN‑1SN‑ 2SN‑1。本发明的Octonacci序列光子多层结构具有：当损耗不为零时，由两个Octonacci序列光子多层构成的反PT对称系统中的左、右反射谱不重合；在共振模处，系统对左入射的光波具有抑制或增强作用，反射光强可以通过增益‑损耗因子来调控；而对于右入射光波，系统会对反射只增强作用；该效应可被用于光波反射的定向抑制或增强，或光隔离器。

Description

一种可定向抑制或增强光波反射率的反PT对称光子多层结构
技术领域
本发明属于全光通信系统技术领域，涉及一可以应用于光反射的定向抑制或增强的反PT对称光子多层结构。
背景技术
当电介质的折射率中存在虚部时，即材料中存在增益或损耗时，左、右入射光的反射谱不重合。特别地，当系统中材料的折射率在空间上满足宇称-时间（Parity–time：PT）对称时，在左、右入射光的反射谱中，反射率的零点位置不同。这样，当同一波长的光波从左、右两个方向分别入射到光学系统上时，光波在一边反射率为零，而另一边反射率为有限值。这种效应可被应用光学定向隐身。
PT对称的光学系统，其折射率空间上满足条件n(z)=n*(–z)，其中z为位置坐标，*表示求复共轭。可将折射率写成n=n r +in i ，其中n r 为折射率的实部，n i 为折射率的虚部，字母i表示虚数单位。则PT对称条件可以分解为：n r (z)=n r (–z)和n i (z)=–n i (–z)，即实部关于原点偶对称，虚部关于原点奇对称。
在研究反射光束的横向位移时，需要用到光波的部分反射，并且在共振态附近，光束的横向位移效应最大。在共振模附近，PT对称系统可是实现反射光束的极大的横向位移，但是PT对称系统的共振模反射率为零，这对探测反射光束的横向位移十分不利。另外，在探索光束横向位移中，光学系统对左、右入射光的反射率不同，即反射的空间非互易性，也是重要的研究内容。虽然PT系统中存在反射光束的非互易性，但是其左、右反射的零点位置不重合，即左、右反射的零点光波波长不同。若在该系统中实现较大的反射光束横向位移，其左、右入射的波长不同，且反射率为零，不便于观察。
带缺陷的光子晶体可以只能实现反射率为零的缺陷模，可以提高材料中的损耗来提高缺陷模的反射率，但是左、右入射的反射率曲线是重合的，不存在非互易性。而在准周期光子晶体，存在多个缺陷层，且其缺陷模的反射率不为零。另外，反PT对称系统可以不改变缺陷摸在反射谱中位置的情况下，可实现左、右入射光的反射率非互易，即在左、右反射的缺陷模波长相同，而左、右反射率不同。另外，调控反PT对称系统中的增益-损耗系统，还可以进一步分别实现对左、右光波反射率的抑制或增强的调控。反PT对称的光学系统，其折射率空间上满足条件n(z)=–n*(–z)，即折射率实部和虚部分别满足条件n r (z)=–n r (–z)和n i (z)=n i (–z)，即实部关于原点奇对称，虚部关于原点偶对称。因此，若在反PT对称系统中实现较大的反射光束横向位移，其极大横向位移的左、右入射光波长相同，且还还可以调控反射光的强弱，另外，还可以通过反射光的强弱区分反射方向。
准光子晶体中天然地存在缺陷层，若将两个准光子复合，形成一个关于原点的对称分布，则中间零点处的光子层便形成一个缺陷腔，其共振性最强。当在材料中引入增益或损耗时，调控其反射率效果最明显。因此，可在两个准光子晶体复合，并使其满足反PT对称性，可以得到反射率不为零的缺陷模，左、右反射模波长相同，且缺陷模附近的反射光束存在极大的横向位移，另外，左、右缺陷模的反射强度可以通过增益-损耗因子调控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光波反射的定向抑制或增强的光子多层结构的复合结构。
本发明的技术方案是：
一种可定向抑制或增强光波反射率的反PT对称光子多层结构，由两个Octonacci序列光子多层复合而成，所述两个Octonacci序列光子多层关于原点呈反PT对称分布，形成反PT对称结构；该反PT对称系统由两种折射率不同的基质电介质薄片依次堆叠而形成；
Octonacci序列在数学上是一种准周期序列，其迭代规则为：
当N=1时，S1=A；当N=2时，S2=B；
当N≥3时，SN=SN-1SN-2SN-1，其中SN为序列的第N项，下标N为序列的序数。满足Octonacci序列的光子多层中，符号A、B表示两种折射率不同的均匀基质电介质薄片；
由此可以迭代出：S3=BAB，S4=BABBBAB，S5=BABBBABBABBBAB，S6=S5S4S5，S7=S6S5S6，S8=S7S6S7，……；
将两个SN的Octonacci序列光子多层复合，使其结构关于原点呈反PT对称分布。特别地，当N=4时，复合的反PT对称系统可以表示成BABBBABB'A'B'B'B'A'B'，其中电介质薄片A为二氧化硅，和A'的基质材料为铌酸锂，电介质薄片B的基质材料为铌酸锂，B'的的基质材料为二氧化硅。
进一步地，上述电介质薄片A和A'的基质材料的分别为折射率分为n a =3.6+0.01qi；n a' =3.0+0.01qi，其中i为虚数单位，q为增益-损耗因子；所述电介质薄片A和电介质薄片A'的厚度为d a =d a' =0.05μm；所述电介质薄片B 和电介质薄片B'的折射率分别为n b =3.0+0.01qi和n b' =3.6+0.01qi，所述电介质薄片B和B'的厚度为d b =d b' =0.1μm；整个结构的材料折射率满足反PT对称：n(z)=−n*(−z)，其中*表示求复共轭。
本发明的发明Octonacci序列光子多层结构具有：当损耗不为零时，由两个Octonacci序列光子多层构成的反PT对称系统中的左、右反射谱不重合；在共振模处，系统对左入射的光波具有抑制或增强作用，反射强度可以通过增益-损耗因子来调控；而对于右入射光波，系统会对反射只增强作用，且反射率随着增益-损耗因子的增大而增大。该效应可被用于光波反射的定向抑制或增强，或光隔离器。
本技术方案可应用光隔离器，以及反射抑制和增强，便于隐藏、观测和发现目标。
附图说明
图1为反PT对称Octonacci序列光子多层结构图；
其中(a)光从左边入射；(b)光从右边入射；
图2为增益-损耗因子q=0时对应的透射谱和反射谱；
图3为左、右入射光对应的反射率（其中增益-损耗因子q=1）；
图4中，(a)为不同增益-损耗因子对应的左入射反射谱；其中(b,c)为点P1和P2分别对应的反射率随增益-损耗系数的变化关系；
图5(a)不同增益-损耗因子对应的右入射反射谱。(b,c)点P1和P2分别对应的反射率随增益-损耗系数的变化关系。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，将两个Octonacci序列光子多层复合，两个Octonacci序列光子多层关于原点呈反PT对称分布，形成反PT对称结构；该反PT对称系统由两种折射率不同的基质电介质薄片依次堆叠而形成。
符号A、B表示两种折射率不同的均匀电介质薄片，电介质薄片A为二氧化硅，和A'的基质材料为铌酸锂，其中电介质薄片A、B呈Octonacci序列的迭代规则排列。
Octonacci序列是一种准周期序列，其迭代规则为：当N=1时，S1=A；当N=2时，S2=B；当N≥3时，SN=SN-1SN-2SN-1，其中SN为序列的第N项，下标N为序列的序数。由此可以迭代出：S3=BAB，S4=BABBBAB，S5=BABBBABBABBABBBAB，S6=S5S4S5，S7=S6S5S6，S8=S7S6S7，……。
这里我们设计的反PT对称光子多层是由两个第N项的Octonacci序列光子多层复合形成，这两个Octonacci序列光子多层关于原点呈反PT对称分布。图中1给出的是由两个N=4的Octonacci序列光子多层形成的复合结构，该结构也可以表示成BABBBABB'A'B'B'B'A'B'。
如图1(a)所示；此时光从左边垂直入射。符号表示入射光线，表示反射光线，表示透射光线。
电介质薄片A基质材料为二氧化硅，A'的基质材料为铌酸锂，折射率分别为n a =3.6+0.01qi和n a' =3.0+0.01qi，其中i为虚数单位，q为增益-损耗因子；电介质薄片A和A'的厚度都为d a =d a' =0.05μm（μm表示微米）；电介质薄片B的基质材料为铌酸锂，B'的基质材料为二氧化硅，折射率分别为n b =3.0+0.01qi和n b' =3.6+0.01qi，电介质薄片B和B'的厚度都为d b =d b' =0.1μm。故整个结构的材料折射率满足n(z)=−n*(−z)。
参数q>0，代表损耗，q<0，表示增益。损耗可以通过掺杂铁离子等金属离子来实现，增益通过非线性二波混频得到。这里只考虑损耗的情况。
如果将电介质折射率写成实部+虚部的形式n=n r0+n r1+in i ，则这电介质的四种折射率分别写成n a =3.4+0.2+0.01qi，n a' =3.4−0.2+0.01qi，n b =3.4−0.2+0.01qi，n b' =3.4+0.2+0.01qi。可以看到折射率实部n r1(z)关于0点呈奇对称，虚部n i (z)关于0点呈偶对称。
当光从右边垂直入射到该结构上时，反射和透射情况如图1（b）所示，其中符号表示入射光线，表示反射光线，表示透射光线。可见左、右入射所对应的反射率不同，故用不同的字母表示反射光线，而透射率相同，故用相同的字母表示透射光线，该结论将在下面的详细给出。
参见图2，改变光的入射频率，图中给出了反PT对称的Octonacci序列光子多层的透射率和反射率。给定增益-损耗因子q=0，即电介质材料中不存在增益和损耗。横坐标(ω−ω 0)/ω gap表示归一化角频率，其中ω=2πc/λ、ω 0 =2πc/λ0和ω gap= 4ω0arcsin│[Re(n a )−Re(n b )]/[Re(n a )+Re(n b )]｜2/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c为真空中光速，参数λ0=1.55μm，arcsin为求反正弦函数。字母T表示透射率，R表示反射率。当增益-损耗因子q=0时，左、右入射对应的透射谱和反射谱是分别重合的。
特别地，当归一化频率在P1和P2点时，透射率出现两个共振峰，对应着透射率的极大值点，同时，也是反射率的极限值点。P1和P2点对应的归一化频率分别为(ω−ω 0)/ω gap=−0.126和1.363，对应的透射率分别为T=0.9674和0.9822，对应的反射率分别为R=0.0326和0.0178。
参见图3，当增益-损耗因子不为零时，左、右入射光的反射谱不重合。图中给出的是q=1时系统对应的反射谱。其中字母R f 表示左入射对应的反射率，R b 表示右入射对应的反射率。可见，R f 和R b 不重合，且在点P1和P2处存在反射率存在极小值。特别地，在点P1和P2处，相对于q=0的情形，q=1对应的左反射率被减弱，而右反射率被增强。具体地，在点P1处，对应的左、右反射率分别为R f =0.01和R b =0.054（而R=0.0326）；在点P2处，对应的左、右反射率分别为R f =0.0016和R b =0.0404（而R=0.0178）。因此，相对于无增益和无损耗的电介质，当反PT对称系统中存在损耗时，左入射光的反射率会被抑制，而右入射光的反射率会被加强。该效应可被用于反射光的定向抑制或增强。
参见图4，当光波从左边垂直入射时，图中（a）给出的是不同增益-损耗因子对应的反射谱。纵坐标log10(Rf)是对反射率取对数。可以看到：当归一化频率在点P1和P2处时，反射谱中存在两个凹陷。在P1点，q=0，1，2和3时对应的反射率依次降低；而在在P1点，q=0，1和2时对应的反射率依次降低，当q=3时，反射率又增大。
当光从左边入射时，图中（b）给出的是在P1点对应的反射率R f1随增益-损耗因子的变化关系。可以看到，当q≤3时，R f1随增益-损耗因子的增大而减小，说明反射率被抑制；而当q>3时，R f1随增益-损耗因子的增大而增大，说明反射率被加强。
图中（c）给出的是在P2点对应的反射率R f2随增益-损耗因子的变化关系。可以看到，当q≤2时，R f2随增益-损耗因子的增大而减小，说明反射率被抑制；而当q>2时，R f2随增益-损耗因子的增大而增大，说明反射率被加强。
参见图5，当光波从右边垂直入射时，图中（a）给出的是不同增益-损耗因子对应的反射谱。纵坐标log10(Rb)是对反射率取对数。可以看到，当归一化频率在点P1和P2处时，反射谱中存在两个凹陷。点P1和P2分别对应的反射率R b1和R b2都是随增益-损耗增益的增大而增大，如图中（b）和（c）所示。q越大，电介质中的损耗越大，因此可以通过增大损耗来增强共振模的反射率。
总之，当损耗不为零时，由两个Octonacci序列光子多层构成的反PT对称系统中的左、右反射谱不重合。在共振模处，系统对左入射的光波具有抑制或增强作用，具体可以通过增益-损耗因子来调控；而对于右入射光波，系统会对反射只增强作用，且反射率随着增益-损耗因子的增大而增大。该效应可被用于光波反射的定向抑制或增强，或光隔离器。
具体地，当光波入射到反PT对称的Octonacci序列光子多层上时，对应的光波反射率谱上极小值点P1如图3所示，其归一化频率(ω−ω 0)/ω gap=−0.126，对应的入射波长为λ1=1.573μm。当光以λ1从左、右边入射时，q=0对应的反射率都为R=0.0326；增大电介质损耗，使其q=1，保持入射波长不变，当光从左边入射时，P1点对应的反射率为R f =0.01，即反射率被抑制；当光从右边入射时，P1点对应的反射率为R b =0.054，即反射率被增强。在P2点也可以得到同样的结论。另外，器件对左、右入射光波反射率的抑制或增强可以通过增益-损耗系数来调控，具体的变化关系可以参见图4（b）、4（c）、5（b）和5（c）。

Claims (2)

1.一种可定向抑制或增强光波反射率的反PT对称光子多层结构，其特征在于，由两个Octonacci序列光子多层复合而成，所述两个Octonacci序列光子多层关于原点呈反PT对称分布，形成反PT对称结构；该反PT对称系统由两种折射率不同的基质电介质薄片依次堆叠而形成；
Octonacci序列在数学上是一种准周期序列，其迭代规则为：
当N=1时，S1=A；当N=2时，S2=B；
当N≥3时，SN=SN-1SN-2SN-1，其中SN为序列的第N项，下标N为序列的序数；满足Octonacci序列的光子多层中，符号A、B表示两种折射率不同的均匀基质电介质薄片；由此可以迭代出：S3=BAB，S4=BABBBAB，S5=BABBBABBABBBAB，S6=S5S4S5，S7=S6S5S6，S8=S7S6S7，……；将两个第N项的Octonacci序列光子多层复合，使其结构关于原点呈反PT对称分布；
当N=4时，复合的反PT对称结构表示成BABBBABB'A'B'B'B'A'B'，其中电介质薄片A为二氧化硅，和A'的基质材料为铌酸锂，电介质薄片B的基质材料为铌酸锂，B'的的基质材料为二氧化硅。
2.如权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述电介质薄片A和A'的基质材料的分别为折射率分为n a =3.6+0.01qi；n a' =3.0+0.01qi，其中i为虚数单位，q为增益-损耗因子；所述电介质薄片A和电介质薄片A'的厚度为d a =d a' =0.05μm；所述电介质薄片B 和电介质薄片B'的折射率分别为n b =3.0+0.01qi和n b' =3.6+0.01qi，所述电介质薄片B和B'的厚度为d b =d b' =0.1μm；整个结构的材料折射率满足反PT对称：n(z)=−n*(−z)，其中*表示求复共轭。
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