CN115360494B - 基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器 - Google Patents

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Abstract

一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，属于拓扑光子晶体技术领域。所述光子晶体分束器包括金属板，位于金属板之上的光子晶体结构，光子晶体结构由多个蜂窝晶格结构的元胞构成，其中金属柱占据蜂窝晶格结构的格点，铁氧体占据蜂窝晶格结构的中心。本发明基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器中，在金属板上表面设置由铁氧体和金属柱构成的光子晶体结构，光子晶体能带中位于光锥下的本征模式可以很好的局域在金属柱的周围，并沿着金属柱与空气的界面传播，使得该光子晶体结构工作在表面波模式下，通过位于金属板背面的单层永磁体给铁氧体提供近似的饱和磁化，就能实现谷极化的分束器，有利于光子晶体分束器向着小型化集成化的方向发展。

Description

基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器
技术领域
本发明属于拓扑光子晶体技术领域，具体涉及一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器。
背景技术
光子晶体是人工排列的周期性电介质材料，因其具有特殊的“光子禁带”，在光通信系统以及光信息计算、存储中具有优秀的应用潜力。通过破缺光子晶体的物理对称性(时间反演或空间反演)，可以得到具有不同拓扑性质的禁带，在禁带中可以观察到沿着光子晶体边界传输的电磁波，其传输模式具有单向性、免疫背向散射的特点，这大大降低了传输时的损耗。
相比于传统基于电子的通信传输技术，光子具有更快的传输速度以及更大的信息容量。目前，基于二维光子晶体的理论研究已经成熟，随着诸如量子霍尔效应、量子自旋霍尔效应以及量子谷霍尔效应等理论的深入研究，描述了一系列具有不同拓扑属性的光子拓扑绝缘体，其映射的光学拓扑器件也应运而生。基于拓扑光子晶体能带特性的波导结构也展现出了新颖的物理机制，特别是在蜂窝晶格光子晶体中，其具有的能谷自由度也激发了谷极化光子器件的研究热潮，而谷极化对应的不同拓扑特性也可以被不同的拓扑不变量所描述。同时拓扑光子晶体的研究也推动了光学器件在未来取代传统电子器件的发展趋势。
此外，表面电磁波理论的研究展现了其具有亚波长以及突破衍射极限的优秀物理特性。这为实现拓扑光子晶体的小型化提供了理论基础，这也使光子拓扑绝缘体的片上集成成为了可能。
现有的光子晶体结构是采用传统金属腔实现的，其运载的电磁传输模式是一种在金属腔内且在三维传输的电磁波，需要对光子晶体样品整体提供全空间的磁场，由于永磁体表面的磁场强度会沿着远离永磁体表面的方向迅速衰减，这将无法保证由铁氧体构成的光子晶体的周期性势场的稳定，目前的方法是在上下两层金属板外设置永磁体施加磁场，保证磁场覆盖金属腔体内，确保铁氧体的饱和磁化，但是双层永磁体的结构使得光子晶体难以朝着小型化与集成化的方向发展。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的问题，提出了一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，包括金属板，位于金属板之上的光子晶体结构，所述光子晶体结构由多个蜂窝晶格结构的元胞构成，其中金属柱占据蜂窝晶格结构的格点，铁氧体占据蜂窝晶格结构的中心；当俯视所述光子晶体结构时，光子晶体结构包括左右并排设置的分束区和激发区，激发区包括上下并排设置的第一激发区(Ⅰ)和第二激发区(Ⅱ)，分束区包括上下并排设置的、从上到下依次排列的第一分束区(Ⅰ)、第二分束区(Ⅱ)、第三分束区(Ⅲ)和第四分束区(Ⅳ)，分束区和激发区形成三叉形的三个波导通道，用于实现谷极化的电磁波的传输，其中，所述第二分束区和第三分束区的元胞中，上三角亚晶格位置的金属柱高度h1相同，下三角亚晶格位置的金属柱的高度h2相同，且h1-h2＝dis≠0，第二分束区和第三分束区的dis互为相反数；所述金属板的背面、铁氧体的正下方设置多个盲孔，用于放置永磁体。
其中，所述铁氧体为Y3Fe5O12(钇铁石榴石)、Sm3Fe5O12、Gd3Fe5O12等旋磁材料；所述金属板与金属柱的材料为金属铝、铜等，所述永磁体为钕铁硼、铝镍钴等。
其中，所述铁氧体和永磁体之间的金属板的厚度为1mm以下。
其中，所述铁氧体的高度相同。
其中，所述第一激发区、第二激发区、第一分束区和第四分束区中，铁氧体的高度为金属柱高度的1/4～1/3。
其中，所述第一分束区和第一激发区中，铁氧体和金属柱的尺寸完全相同。
其中，所述第四分束区和第二激发区中，铁氧体和金属柱的尺寸完全相同。
本发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其工作原理为：
在金属板上表面安置金属柱，使得可以在金属柱表面激发出表面等离子极化激元。在金属柱周期性排列的情况下，可以形成表面等离子极化激元的能带结构。在蜂窝晶格中心放置铁氧体并施加磁场，受到磁化的铁氧体的相对磁导率的对角分量是非互易的，由此可以使得表面等离子极化激元的能带在其动量空间的不同的极值(能谷)处获得不同的物理性质，从而产生极化特性。
在第一分束区、第三分束区和第一激发区中施加正向磁场，在其背面永磁体的作用下，第一分束区、第三分束区和第一激发区中的铁氧体被磁化，在光子晶体能带结构的动量空间中相应的谷上获得不同非零的拓扑数；在第二分束区、第四分束区和第二激发区中施加反向磁场，在其背面永磁体的作用下，第二分束区、第四分束区和第二激发区中的铁氧体被磁化，在光子晶体能带结构的动量空间中相应的谷上获得不同非零的拓扑数；第二分束区和第三分束区中的相邻的金属柱之间存在高度差，高度差可以改变光子晶体能带结构相应谷处的极化特性。由于第一激发区和第二激发区中的金属柱不存在高度差，使得区域边界构成的波导通道在光子晶体能带结构的动量空间中K谷和K′谷产生相同的极化特性，使得该波导通道的极化模式为K谷和K′谷形成的双谷极化；由于第一分束区中的金属柱不存在高度差、第二分束区中的金属柱存在高度差，使得第一分束区和第二分束区之间的波导通道在光子晶体能带结构的动量空间中K′谷产生极化特性、在光子晶体能带结构的动量空间中K谷不产生极化特性，使得该波导通道的极化模式为K′极化；由于第四分束区中的金属柱不存在高度差、第三分束区中的金属柱存在高度差，使得第三分束区和第四分束区之间的波导通道在光子晶体能带结构的动量空间中K谷产生极化特性、在光子晶体能带结构的动量空间中K′谷不产生极化特性，使得该波导通道的极化模式为K极化；进而实现了谷极化的分束器。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器中，在金属板上表面设置由铁氧体和金属柱构成的光子晶体结构，光子晶体能带中位于光锥下的本征模式可以很好的局域在金属柱的周围，并沿着金属柱与空气的界面传播，使得该光子晶体结构工作在表面波模式下，通过位于金属板背面的单层永磁体给铁氧体提供近似的饱和磁化，就能实现谷极化的分束器，有利于光子晶体分束器向着小型化集成化的方向发展。
2、本发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，在表面波器件中增加了拓扑保护的物理特性，使得在金属柱界面传输的电磁波可以免疫缺陷引起的损耗，且相应拓扑通道中的传输模式具有单向性，可以免疫背向散射，增加传输效率。
3、本发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，可用于实现对电磁波传输的谷极化调控，增加电磁波传输模式的谷极化自由度，进而增加了信息传输的容量与效率。本发明实现基于单层永磁体的谷极化光子晶体分束器的工作频率的中心频率为9.76GHz、带宽约为0.5GHz。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器的剖面图；
图2为本发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器中，光子晶体结构的结构示意图；
图3为发明提供的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器中，光子晶体结构的俯视图；
图4为实施例的一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器工作时的电场场图；
图5为频率9.76GHz时实施例分束器未工作时的电场场图；
图6为频率9.76GHz时实施例分束器工作时的电场场图；
图7为实施例光子晶体结构在不同高度差时的能带结构图；其中，(a)对应高度差为负数时的能带结构图，(b)对应高度差为正数时的能带结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，如图1所示，包括金属板，位于金属板之上的光子晶体结构；所述光子晶体结构由多个蜂窝晶格结构的元胞构成，元胞的周期为a＝1.03cm，其中金属柱占据蜂窝晶格结构的格点，铁氧体占据蜂窝晶格结构的中心，如图2所示；如图3所示，当俯视所述光子晶体结构时，光子晶体结构包括左右并排设置的分束区和激发区，激发区包括上下并排设置的第一激发区(Ⅰ)和第二激发区(Ⅱ)，分束区包括上下并排设置的、从上到下依次排列的第一分束区(Ⅰ)、第二分束区(Ⅱ)、第三分束区(Ⅲ)和第四分束区(Ⅳ)，分束区和激发区形成三叉形的三个波导通道，用于实现谷极化的电磁波的传输，其中，所述第二分束区和第三分束区的元胞中，上三角亚晶格位置的金属柱高度h1相同，下三角亚晶格位置的金属柱的高度h2相同，且h1-h2＝dis≠0，第二分束区和第三分束区的dis互为相反数；所述金属板的背面、铁氧体的正下方设置多个盲孔，用于放置永磁体。其中，所述铁氧体为Y3Fe5O12旋磁材料，铁氧体的半径为r1＝3mm、高度为h3＝1.5mm。所述金属板的材料为铝。所述金属柱的材料为铝、半径为r2＝1.5mm，第一激发区、第二激发区、第一分束区和第四分束区中，金属柱的高度为5mm，相邻金属柱的之间的间距为r＝6mm；第三分束中，上三角亚晶格位置的金属柱高度h1＝4mm、下三角亚晶格位置的金属柱的高度h2＝4mm，相邻金属柱的之间的间距为r＝6mm；第二分束中，上三角亚晶格位置的金属柱高度h1＝4mm、下三角亚晶格位置的金属柱的高度h2＝6mm，相邻金属柱的之间的间距为r＝6mm。所述永磁体为钕铁硼、厚度为5mm、半径为3mm，设置于铁氧体的正下方，永磁体表面磁场强度为0.4T。所述铁氧体和永磁体之间的金属板的厚度为1mm。
图4为实施例的一种基于单层永磁体的谷依赖波光子晶体分束器工作时的电场场图；由图4可知，实施例分束器激发出了双谷极化的电磁波，且经过分束器后只保留了K′极化的电磁波。
图5为频率9.76GHz时实施例分束器未工作时的电场场图；由图5可知，双极化的电磁波在实施例分束器中仍然保持原有的状态。
图6为频率9.76GHz时实施例分束器工作时的电场场图；由图6可知，在激发区域中激发的双谷极化的电磁波在实施例分束器中被分成了两个单谷极化的电磁波，并沿着相应极化的波导通道传播。
图7为频率9.76GHz时实施例分束器的能带结构图；其中，(a)对应高度差为负数时的能带结构图，(b)对应高度差为正数时的能带结构图。由图7可知，当第二分束区和第三分束区的元胞中的高度差dis＝h1-h2＝0时，K与K′谷处的能带均有一个带隙，且带隙宽度一样；当第二分束区和第三分束区的元胞中的高度差dis＝h1-h2＜0时，K谷带隙趋于闭合而K′谷带隙继续扩大，高度差进一步增大，K谷带隙闭合后重新打开，完成拓扑相变；当第二分束区和第三分束区的元胞中的高度差dis＝h1-h2＞0时，K′谷带隙趋于闭合而K谷带隙继续扩大，高度差进一步增大，K′谷带隙闭合后重新打开，完成拓扑相变。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其特征在于，包括金属板，位于金属板之上的光子晶体结构，所述光子晶体结构由多个蜂窝晶格结构的元胞构成，其中金属柱占据蜂窝晶格结构的格点，铁氧体占据蜂窝晶格结构的中心；当俯视所述光子晶体结构时，光子晶体结构包括左右并排设置的分束区和激发区，激发区包括上下并排设置的第一激发区和第二激发区，分束区包括上下并排设置的、从上到下依次排列的第一分束区、第二分束区、第三分束区和第四分束区，分束区和激发区形成三叉形的三个波导通道，用于实现谷极化的电磁波的传输，其中，所述第二分束区和第三分束区的元胞中，上三角亚晶格位置的金属柱高度h1相同，下三角亚晶格位置的金属柱的高度h2相同，且h1-h2＝dis≠0，第二分束区和第三分束区的dis互为相反数；所述金属板的背面、铁氧体的正下方设置多个盲孔，用于放置永磁体。
2.根据权利要求1所述的基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其特征在于，所述铁氧体为Y3Fe5O12、Sm3Fe5O12或Gd3Fe5O12；所述金属板与金属柱的材料为金属铝或铜，所述永磁体为钕铁硼或铝镍钴。
3.根据权利要求1所述的基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其特征在于，所述铁氧体和永磁体之间的金属板的厚度为1mm以下。
4.根据权利要求1所述的基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其特征在于，所述第一激发区、第二激发区、第一分束区和第四分束区中，铁氧体的高度为金属柱高度的1/4～1/3。
5.根据权利要求1所述的基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其特征在于，所述第一分束区和第一激发区中，铁氧体和金属柱的尺寸完全相同。
6.根据权利要求1所述的基于单层永磁体的谷依赖光子晶体分束器，其特征在于，所述第四分束区和第二激发区中，铁氧体和金属柱的尺寸完全相同。
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