CN113934075A

CN113934075A - 可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT对称PD光子晶体结构

Info

Publication number: CN113934075A
Application number: CN202111231890.3A
Authority: CN
Inventors: 杨荣
Original assignee: Hubei University of Science and Technology
Current assignee: Hubei University of Science and Technology
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2022-01-14

Abstract

本发明提供了一种可实现反射光定向抑制和增强的Anti‑PT对称PD光子晶体结构，属于全光通讯技术领域。包括两个PD光子晶体，由两种折射率高、低不同电介质薄片按照PD序列规则依次堆叠而成，形成关于中心原点对称分布结构；通过调制各电介质薄片的折射率虚部，使光子晶体结构满足Anti‑PT对称分布：n(z)＝‑n*(‑z)；整个结构可以表示成：HLHHHLHLL'H'L'H'H'H'L'H'，其中电介质薄片H和L'表示为高折射率的第一电介质层，电介质薄片H'和L表示低折射率的第二电介质层。本发明具有能够实现光波反射的定向抑制或增强等优点。

Description

可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT对称PD光子晶体结构

技术领域

本发明属于全光通讯技术领域，涉及一种可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT对称PD光子晶体结构。

背景技术

当电介质的折射率存在虚部时，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，当系统的折射率在空间上满足PT(Parity-time：宇称-时间)对称时，左、右反射谱中反射率零点位置不同。这样，当同一波长的光波从左、右两个方向分别入射时，就会存在一边反射率为零，而另一边反射率为一有限值的情形。这种效应可被应用于光学定向隐身。

在PT对称的光学系统中，折射率在空间上满足条件n(z)＝n*(-z)，其中z为位置坐标。若将折射率写成形式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。PT对称条件可以分解为：n_r(z)＝n_r(-z)和n_i(z)＝-n_i(-z)，即折射率实部关于原点偶对称，而虚部关于原点奇对称。

在研究反射光束的横向位移时，需要用到部分反射的反射光。并且在共振态附近，光束的横向位移效应最大，而PT对称系统的共振模反射率一般都为零，这对探测反射光束的横向位移十分不利。另外，在探索反射光束横向位移的空间非互易性时，器件对左、右入射光的反射率不同，也是空间非互易性的重要研究内容。

带缺陷的光子晶体中存在反射率为零的缺陷模，一般地，可以通过提高材料中的损耗来增强缺陷模的反射率，但是，左、右反射率曲线是重合的，不存在空间非互易性。

在准周期光子晶体(准光子晶体)，天然地存在多个缺陷层，且其缺陷模的反射率不为零。另外，Anti-PT(Anti-parity-time：反PT)对称系统可以在不改变缺陷摸位置的情况下，实现左、右入射光的反射非互易，即在缺陷模位置处，左、右反射谱不同。另外，调控反PT对称系统中的增益-损耗系统，可以分别实现对左、右反射光的抑制和增强。反PT对称的光学系统，其折射率空间上满足条件n(z)＝-n*(-z)，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，可以考虑将Anti-PT于准光子晶体结合，得到反射率不为零的缺陷模，并研究其反射光束的空间非互易性，是十分有意义的事情。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT对称PD光子晶体结构，本发明所要解决的技术问题是如何实现光波反射的定向抑制或增强。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT(Anti-parity-time：反PT)对称PD(Period-Doubling：周期倍增)光子晶体结构，其特征在于，包括两个PD光子晶体；所述PD光子晶体由两种折射率高、低不同电介质薄片按照PD序列规则依次堆叠而成，形成关于中心原点对称分布结构；通过调制各电介质薄片的折射率虚部，使光子晶体结构满足Anti-PT对称分布，即折射率满足条件：n(z)＝-n*(-z)；整个结构可以表示成：HLHHHLHLL′H′L′H′H′H′L′H′，其中电介质薄片H和L′表示为高折射率的第一电介质层，电介质薄片H′和L表示低折射率的第二电介质层。

进一步的，所述第一电介质层的基质材料为硅，所述第二电介质层的基质材料为铌酸锂。

进一步的，所述Anti-PT对称PD光子晶体对左反射光增强，而对右反射光抑制；该效应能够用于对光波反射进行定向抑制或增强。

将两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片，按序号N＝3的PD光子晶体依次堆叠，形成关于原点对称的PD光子晶体对；再调制电介质中的增益和损耗，使其满足Anti-PT对称性，即折射率满足n(z)＝-n*(-z)，即电介质折射率的实部关于原点奇对称，而虚部关于原点偶对称。当材料的增益-损耗因子不为零时，Anti-PT对称PD光子晶体中左、右反射光是非互易的；具体地，该结构对左、右入射光的反射谱是不同的，且共振模的反射率不为零。增大增益-损耗因子，该结构对左入射持续增强光，而对右反射率先抑制，再增强。该效应可被用作对光波反射率的定向抑制或增强。

附图说明

图1是Anti-PT对称PD序列光子晶体结构图；其中(a)为光从左边入射的情况；(b)为光从右边入射的情况。

图2中(a)是增益-损耗因子q＝0时对应的透射谱和反射谱；图2中(b)是共振态对应的归一化电场分布。

图3左、右入射光对应的反射谱。增益-损耗因子q＝0和1。

图4(a)是不同增益-损耗因子对应的左反射谱；图4(b)是谷点对应的左反射率随增益-损耗因子的变化关系。

图5(a)不同增益-损耗因子对应的右反射谱。(b)谷点对应的右反射率随增益-损耗因子的变化关系。

图中，H、第一电介质层；L、第二电介质层。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

数学上，PD(Period-Doubling：周期倍增)序列的迭代规则为：S_o＝H，S₁＝HL，S₂＝HLHH，……，S_N＝S_N-1S_N-2S_N-2，……，其中N(N＝0，1，2，3，……)表示序列的序号，S_N表示序列的第N项。在对应的PD光子晶体中，字母H、L分别表示折射率高、低不同的两种均匀电介质薄片。

图1给出的是序列序号N＝3的Anti-PT对称PD光子晶体结构示意图。序列序号N＝3的PD光子晶体可以表示成：HLHHHLHL，其中字母H、L分别表示两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片。将两个N＝3的PD光子晶体复合，形成关于中心原点对称分布结构，再调制电介质折射率，使其满足Anti-PT对称分布。整个结构可以表示成：HLHHHLHLL′H′L′H′H′H′L′H′。水平向右的方向为Z周的正方向。

当光波从左边垂直入射时，符号I_if表示入射光线，I_rf表示反射光线；当光波从右边垂直入射时，符号I_ib表示入射光线，I_rb表示反射光线。

电介质薄片H为硅，和H′的基质材料为铌酸锂，折射率分别为n_H＝3.6+0.01qi和n_H′＝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H和H′的厚度为d_H＝d_H′＝0.05μm(μm表示微米)；电介质薄片L的基质材料为铌酸锂，L′的的基质材料为硅，折射率分别为n_L＝3.0+0.01qi和n_L′＝3.6+0.01qi，电介质薄片L和L′的厚度为d_L＝d_L′＝0.1μm。整个结构的材料折射率满足条件：n(z)＝-n*(-z)，其中*表示求复共轭。

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_H＝3.3+0.3+0.01qi，n_H′＝3.3-0.3+0.01qi，n_L＝3.3--0.3+0.01qi，n_L′＝3.3+0.3+0.01qi。可以看到：折射率实部n_r1(z)关于0点呈奇对称，而虚部n_i(z)关于0点呈偶对称。

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。改变光的入射频率，图2给出了Anti-PT对称的PD光子晶体的透射率和反射率。横坐标(ω-ω₀)/ω_gap表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω₀＝2πc/λ₀和ω_gap＝4ω₀arcsin|[Re(n_H)-Re(n_L)]/[Re(n_H)+Re(n_L)]|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，在归一化频率区间[-1，2]内，透射谱中出现了1个共振峰，用☆标注，对应着透射率的极大值点，同时，也是反射率的极小值点。此点对应的归一化频率为(ω-ω₀)/ω_gap＝0.547，对应的共振波长为λ＝1.4576μm。

图2(b)给出的是第图2(a)中共振态结构中的电场分布，共振波长λ＝1.4576μm。虚线表示相邻两层电介质的分界面。纵坐标表示归一化的Z分量电场强度。可见，电场能量在结构中的分布是不均匀的，不对称的，存在局域性。这是一种缺陷腔共振。

当增益-损耗因子不为零时，左、右入射光的反射谱不重合。图3给出的是q＝0和1时系统对应的反射谱。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P点处存在反射率的极小值。特别地，在点P处，相对于q＝0的情形，q＝1对应的左反射被增强，而右反射被减弱。具体地，在点P处，对应的左、右反射率分别为R_f＝0.0241和R_b＝4.3136×10^-5(而R＝0.0078)。因此，相对于无增益和无损耗的电介质，当Anti-PT对称系统中存在损耗时，左入射光的反射会被增强，而右入射光的反射会被抑制。该效应可被用于对反射光的定向抑制或增强。

当光波从左边垂直入射时，图4(a)给出的是不同增益-损耗因子对应的反射谱。纵坐标log₁₀(R_f)是对反射率取对数。可以看到，在归一化频率区间[0，1]内，反射谱中存在1个谷点。在谷点处，当q＝0，1，2和3逐渐增大时，对应的反射率依次被增大。

当光从左边入射时，图4(b)给出的是在图4(a)反射谱中谷点对应的反射率R_fp随增益-损耗因子的变化关系。可以看到，当0≤q≤10时，R_fp随增益-损耗因子的增大而增大，说明左反射被增强。

当光波从右边垂直入射时，图5(a)给出的是不同增益-损耗因子对应的反射谱。纵坐标log₁₀(R_b)是对反射率取对数。可以看到，在归一化频率区间[0，1]内，所有的反射谱中都存在一个谷点。相对于q＝0时的谷点反射率，q＝1和2对应的谷点反射率被降低，而q＝3时对应的谷点反射率被升高。

当光从右边入射时，图5(b)给出的是在图5(a)反射谱中谷点对应的反射率R_bp随增益-损耗因子的变化关系。可以看到，当0≤q≤1时，R_bp随增益-损耗因子的增大而减小，说明右反射被削弱；当1＜q≤10时，R_bp随增益-损耗因子的增大而增大，说明右反射被加强。

对比图4(b)和图5(b)，总体上讲，相对于同一个不为零的q值，左反射率大于右反射率，因此，可以说，当Anti-PT对称PD光子晶体中存在损耗时，相对于无增益和损耗的情形，左反射光被加强，而右反射光会被削弱。

且q越大，电介质中的损耗越大，左反射光被加强程度越大，因此可以通过增大损耗来调控共振模的反射率。

总之，当损耗不为零时，由两个PD光子晶体构成的Anti-PT对称系统中的左、右反射谱不重合。在共振模处，系统对左反射光波具有增强作用，增益-损耗因子越大，左反射率越大；而对于右入射光波，系统会对右反射存在增强和抑制作用，具体可以通过增益-损耗因子来调控。总体上，Anti-PT对称PD光子晶体对左入射光存在反射增强，而对右入射光存在反射削弱的作用，该效应可被用于反射光的定向抑制和增强。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT对称PD光子晶体结构，其特征在于，包括两个PD光子晶体；所述PD光子晶体由两种折射率高、低不同电介质薄片按照PD序列规则依次堆叠而成，形成关于中心原点对称分布结构；通过调制各电介质薄片的折射率虚部，使光子晶体结构满足Anti-PT对称分布；整个结构可以表示成：HLHHHLHLL'H'L'H'H'H'L'H'，其中电介质薄片H和L'表示为高折射率的第一电介质层，电介质薄片H'和L表示低折射率的第二电介质层。

2.根据权利要求1所述一种可实现反射光定向抑制和增强的Anti-PT对称PD光子晶体结构，所述第一电介质层的基质材料为硅，所述第二电介质层的基质材料为铌酸锂。

3.根据权利要求1所述Anti-PT对称PD光子晶体对左反射光增强，而对右反射光抑制；该效应能够用于对光波反射进行定向抑制或增强。