CN216013859U - 一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构,属于相位调制编码器技术领域。非周期光子多层结构包括两个呈宇称‑时间对称分布的Thue‑Morse序列,Thue‑Morse序列SN的迭代规则为:当N=1时,S2=A,当N≥2时SN=SN‑1(SN‑1中的A由AB代替,SN‑1中的B由BA代替),A为第一电介质层;B为第二电介质层;其中下标N为序列的序数,第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不等的均匀电介质薄片,Thue‑Morse序列中还存在两层石墨烯薄片,石墨烯薄片分别嵌入在相邻两个第二电介质层之间。本实用新型可形成相位跳变,以应用于数值编码。
Description
技术领域
本实用新型属于相位调制编码器技术领域,涉及一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构。
背景技术
编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。在光纤传感器中,可以利用相位调制技术将泵浦光和探测光的相位进行周期性快速编码。相位调制速度越快,相位调制技术的空间分辨率就越高,同时通过改变相位编码的宽度,可以使除零级相关峰外的相关峰在光纤中的位置发生移动,从而实现分布式测量。与调幅和调频编码技术相比,相位调制编码不存在空间分辨率和测量范围之间相互制约的问题,且通过改变相位编码的宽度,可实现相关峰在待测光纤中的扫描,进行分布式测量。
在进行相位调制编码的过程中,光波相位变化与材料的光学系统结构密切相关。宇称-时间(parity-time:PT)对称结构能够实现相位的规律性变化。PT对称的光学系统是一种特殊的非厄米结构,该结构可以增强共振。研究表明:不同方向入射到PT对称结构上的光波透射率极大值点和反射率的极小值点不重合;PT 结构正、反向入射的光波有相同的透射特性,但其反射特性是不同的。反射系数相位在零反射点存在相位突变,反射的非互易性又使得左、右反向系数相位突变的位置不重合,这种效应可被应用于相位调制编码。非光子晶体比周期性和准周期性光子晶体有更多的缺陷腔和透射膜。因此,可以将PT对称和非周期光子晶体结合起来,实现多值相位编码。
石墨烯是一种超薄的二维材料,具有优良的导电性,其表面电导率可以通过化学势灵活调节。石墨烯嵌入到光子晶体中,反射率的零点位置会受到石墨烯的影响,因此可以通过石墨烯的化学势对反射系数的相位跳变位置进行调控,从而控制相位调制编码。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有的技术存在的上述问题,提供一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构,本实用新型所要解决的技术问题是如何使多层结构形成反射系数的相位跳变,以应用于数值编码。
本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现:一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构,其特征在于,所述非周期光子多层结构包括两个对称分布的Thue-Morse序列,所述 Thue-Morse序列SN的迭代规则为:S1=A,N=1;S2=AB,N=2; SN=SN-1(A→AB,B→BA),N≥3,其中SN-1中的A→AB表示A由AB 代替,B→BA表示B由BA代替,N表示序列的序号,SN表示序列的第N项;A为第一电介质层;B为第二电介质层;第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不等的均匀电介质薄片,所述 Thue-Morse序列中还存在一个石墨烯薄片层,所述石墨烯薄片层嵌入在相邻两个第二电介质层之间;
位于非周期光子多层结构对称中心一侧的第一电介质层称之为第一损耗电介质层,通光状态下的折射率表示为na;位于非周期光子多层结构对称中心另一侧的第一电介质层称之为第一增益电介质层,通光状态下的折射率表示为na';与第一增益电介质层同侧的第二电介质层称之为第二增益电介质层,通光状态下的折射率表示为nb;与第一损耗电介质层同侧的第二电介质层称之为第二损耗电介质层,通光状态下的折射率表示为nb';
na=nA+0.01qi,na'=nA–0.01qi,nb=nB–0.01qi,nb'=nB+0.01qi,其中i为虚数单位,q为增益-损耗因子,nA为第一电介质层折射率的实部,nB为第二电介质层折射率的实部;第一电介质层和第二电介质层的厚度均为各自折射率对应的1/4光学波长;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,入射光为横磁波,从多层电介质结构的任一侧垂直入射;
当某波长值的入射光正、反向入射时,0反射率(Exceptional point,EP)点轨迹曲线发生分裂。这些EP点在归一化频率轴上的位置是增益损耗因子的函数,每个EP点都是光子多层在PT对称相和非对称相之间相互转换的临界点。在这些转换临界点,反射系数相位在都会产生±π/2的跳变,可以用于相位编码。同时,可改变增益-损耗因子或石墨烯的化学势来实现对可隐身入射光的波长调整。
进一步的,所述第一电介质层为二氧化硅,所述第二电介质层为硅。
进一步的,所述石墨烯薄片层的厚度为0.001μm。
将四种折射率不同的电介质按照Thue-Morse序列依次逐层堆叠,使各层电介质的折射率在空间上满足条件n(z)=n*(–z),形成一个PT对称的光子多层。结构的PT对称性导致正、反向反射的光波非互易。这种非互易的反射特性使光子多层在正、反向入射时产生的0反射率点,即EP(Exceptional point)的轨迹曲线发生分裂。与此同时,反射系数相位在每一个EP都会产生±π/2的跳变,其中和分别为正、反向入射时对应的反射系数相位。这种相位在EP的规律性变化为相位调制编码提供了良好的条件。另外,EP的位置,即相位发生跳变的位置,可以通过调整增益-损耗因子来灵活控制,相应地调整相位编码的宽度,实现分布式测量。
附图说明
图1是嵌入石墨烯的Thue-Morse序列PT对称光子多层结构示意图。
图2是未嵌入石墨烯时Thue-Morse序列TM4的PT对称光子多层结构电场强度分布。
图3中(a)图是正向入射光对应的反射率;图3中(b)图是反向入射光对应的反射率;图3中(c)图是正、反向入射时 EP随增益-损耗因子的变化关系。
图4中(a)图是增益-损耗因子q=5时哈密顿量特征值的实部与归一化频率的关系;图4中(b)图是增益-损耗因子q=5时哈密顿量特征值的虚部与归一化频率的关系。
图6是相位编码的宽度随增益-损耗因子和石墨烯化学势的变化情况。
图中,A、第一增益电介质层;A’、第一损耗电介质层;B、第二增益电介质层;B’、第二损耗电介质层。
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图,对本实用新型的技术方案作进一步的描述,但本实用新型并不限于这些实施例。
这里用SN表示序号为N(N=1,2,3,……)的Thue-Morse序列,TMN表示遵循相应SN排列的宇称-时间对称光子多层结构。 SN中包含A、B两种折射率不同的均匀电介质。数学上,T-M序列的迭代规则为:S1=A,N=1;时,SN=SN-1(A—>AB,B—>BA), N≥1,其中符号“—>”表示将SN-1中的A和B分别用AB和BA 代替,形成SN。由此可以得到S2=AB,S3=ABBA,S4=ABBABAAB, S5=ABBABAABBAABABBA,……。
相应的宇称-时间对称光子多层结构为TMN=SNS’N,其中S’N与SN关于原点呈宇称-时间对称,可得TM2=ABB’A’, TM3=ABBAA’B’B’A’,TM4=ABBABAABB’A’A’B’A’B’B’A’,……。图1给出了满足PT对称的第四种Thue-Morse序列S4的光子多层结构,即ABBABAABB’A’A’B’A’B’B’A’。A、A’、B和B’的折射率分别为na=3.53+0.01qi,na'=3.53-0.01qi,nb=1.46-0.01qi, nb'=1.46+0.01qi。虚部中q为引入的增益-损耗因子,表示增益或损耗。当虚部为正时,表示引入损耗,当虚部为负时,表示引入增益。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。这四种电介质厚度均为1/4光学波长,即A 和A’厚度为0.1098μm(μm表示微米),为0.2654μm。
在上述光子多层结构中嵌入两层厚度均为0.001μm的石墨烯薄片层,一层放在光子多层左边的电介质层B和B之间,另一层放在右边的B’和B’之间。入射光为横磁波,垂直入射进入光子多层。图中Iif和Iib分别表示正、反向垂直入射光波。由于PT对称结构有相同的透射光,因此正、反向垂直入射时的透射光波均用 It表示。
图2给出了未嵌入石墨烯时PT对称的Thue-Morse序列光子多层的电场强度分布情况。横坐标Z-axis为电介质层堆叠的方向,也是光传播的方向,纵坐标Normalized|E|2为归一化电场强度。可以看到,电介质层B和B,B’和B’中间的这两个位置附近存在着最强的电场强度。因此,本实用新型将石墨烯薄片放置在这两个电场强度最强的地方,可以增强结构的三阶非线性效应。
图3(a)和(b)给出了正、反向入射光对应的反射率,为了便于观察,图中对透射率和反射率均取对数。横坐标(ω-ω0)/ωgap表示归一化角频率,其中ω=2πc/λ、ω0=2πc/λ0和ωgap= 4ω0arcsin│[Re(na)-Re(nb)]/[Re(na)+Re(nb)]|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,arcsin 为求反正弦函数,Re为提取复折射率实部函数。正、反射谱都在参数空间中的归一化频率段(-0.12,0.02)之间用白色虚线标出了 EP的具体位置EPs1和EPs2。从图3(c)将EPs1和EPs2画到同一个坐标轴中以利于观察,这两条0反射率的轨迹线的两个交点均落在归一化频率轴上,具体位置为(ω-ω0)/ωgap=0和-0.094。EP 轨迹线随着增益-损耗因子和归一化频率变化:先从一个交点发生劈裂,而后重新汇聚于另一个交点。EPs1和EPs2将参数空间划分为三个部分,图中分别标记为I、II、和III,其中I和III为PT 对称相,II为非PT对称相。如果将增益-损耗因子设为q=5,如图虚线所示,则该虚线与两条0反射率轨迹点EPs1和EPs2有4 个交点,即产生4个EPs。当归一化频率逐渐增大,对应的入射光波长减小时,产生的EP依次为EP1~EP4。也就是说,归一化频率在(-0.12,0.02)区间逐渐增大时,光子多层在反向入射光的作用下于EP1从对称相I转换成非对称相II,再在正向入射光的作用下于EP2由非对称相II转换成对称相III,然后在反向入射光的作用下于EP3由对称相III转换成非对称相II,最后在正向入射光的作用下于EP4由非对称相II返回对称相I。这个PT对称相与非 PT对称相的转换过程必然会引起反射光相位的跳变,为相位编码提供了必要条件。
本实用新型所设计的这种PT对称结构是一种特殊的非厄米结构,其散射矩阵可以表示为S=[t,rf,rb,t],其中t,rf和rb分别表示透射系数,正向和反向入射的反射系数。其特征值和特征向量分别为β1,2=t±(rfrb)1/2和(rf 1/2,±rb 1/2)。当(rfrb)1/2=0时,特征值在EP合并,同时特征向量发生简并。因此,除反射率为0 的这个重要特征外,EP对应的两个特征值β1,2的实部会产生反交叉,而虚部会产生交叉。图4(a)(b)给出的是增益-损耗因子 q=5时,系统哈密顿量特征值的实部和虚部与归一化频率的关系。通过图(a)中β1,2实部的交叉与图(b)中虚部的交叉关系,可以判断四个EPs的位置分别为EP1~EP4,分别与图3(d)中的四个EPs一一对应。同时,可以计算出EP1~EP4对应的归一化频率分别为ω1~4=-0.1049,-0.0627,-0.0075和-0.0056。
光子多层的反射系数可以表示为其中和分别是正、反向入射时复值反射系数rf和rb的相位。图5 (a)给出了增益损耗因子q=5时反射系数相位随归一化频率变化的情况,也可以看做是入射光波长从左到右逐步减小时的相位谱。可以看到,就是当散射矩阵S的特征解在四个EPs合并时,每个EP都对应着反射系数相位都存在着一个±π/2的跳变。图5(b)中就将这组相位跳变应用于Q1Q0数值编码:ω<ω1对应Q1Q0=00,系统处在图3(d)中的PT对称相 I;ω1<ω<ω2对应Q1Q0=01,进入非对称相II,ω2<ω<ω3对应Q1Q0=10,转换到PT对称相III,ω2<ω<ω3对应Q1Q0=11,再次进入非对称相II,ω>ω4对应Q1Q0=00,回到非对称相I。这就是利用本实用新型所设计的光子多层实现相位编码的主要思路。
此外,当增益损耗因子q变化时,图3(d)中的虚线与的交点位置也会发生变化,即各EP点的对应的归一化频率改变。图6 给出的增益损耗因子不同时,相位编码的宽度对比。若保持石墨烯化学势μc=0eV不变,当增益损耗因子q从5增大到6时,编码 01和11的宽度增大,而编码10的宽度减小。另一方面,当石墨烯化学势μc变化时,图3(d)中代表0反射率的EPs1和EPs2曲线形状会发生变化。若保持增益损耗因子q=5不变,当石墨烯化学势从0eV增大到0.2eV时,编码00和10的宽度增大,而编码01的宽度减小。这说明,改变增益损耗因子或石墨烯的化学势,可以灵活调整相位编码的宽度,实现分布式测量。
总之,遵循Thue-Morse序列且满足PT对称的光子多层的正、反向反射的光波呈非互易性,而且其正、反向入射时产生的0反射率(EP)点轨迹曲线发生分裂。这些EP在归一化频率轴上的位置是增益损耗因子的函数,每个EP都是光子多层在PT对称相和非对称相之间相互转换的临界点。在这些转换临界点,反射系数相位在都会产生±π/2的跳变,可以用于相位编码。同时,可以通过调整增益-损耗因子来灵活控制相位编码的宽度,实现分布式测量。该效应可应用于制作光纤传感器。
可如下实施:
(1)材料选取。选取基底分别为二氧化硅和硅的两种电介质,通过掺杂或非线性双波混频引入增益或损耗形成四种电介质A、 A’、B和B’,其折射率依次为3.53+0.01qi,1.46-0.01qi,3.53-0.01qi 和1.46+0.01qi,其中q为增益-损耗因子,增益和损耗分别通过掺杂或非线性双波混频引入。
(2)结构设计。将这四种电介质按照Thue-Morse序列,选取不同的序列编号类型SN,堆叠成符合宇称-时间对称的光子多层,如N=4时的光子多层为TM4=ABBABAABB’A’A’B’A’B’B’A’,然后将厚度为0.001μm的两层石墨烯薄片分别嵌入到B、B和B’、 B’之间(如图1)。
(3)检测反射系数相位的相位跳变。选取增益- 损耗因子q=5,改变入射光的波长,即在(-0.12,0.02)的归一化频率范围内改变入射光频率ω。先将入射光从正向垂直入射进入光子多层,会在ω2=-0.0627和ω3=-0.0075两个位置检测到分别出现-π/2和π/2的相位跳变。再将入射光从反向垂直入射进入光子多层,会在ω1=-0.1049和ω4=-0.0056两个位置检测到都出现π/2的相位跳变(如图3-5)。
(4)将相位跳变应用于数值编码。将这个上述两组相位跳变结合起来,应用于Q1Q0数值编码:ω<ω1对应Q1Q0=00,ω1<ω <ω2对应Q1Q0=01,ω2<ω<ω3对应Q1Q0=10,ω2<ω<ω3对应Q1Q0=11,ω>ω4对应Q1Q0=00(如图5)。
调整增益-损耗因子改变相位编码宽度。调整电介质的增益- 损耗因子,可以调整EP在反射谱上的归一化频率位置,从而控制相位编码的宽度,实现分布式测量。例如,将q由5增加到6 时,图3(c)中的代表增益-损耗因子的虚线向右移动,所导致的相位编码宽度相应地发生变化:编码01和11的宽度增大,而编码10的宽度有所减小。(如图6)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型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,但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了……1、……2、等术语,但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。
Claims (3)
1.一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构,其特征在于,所述非周期光子多层结构包括两个呈宇称-时间对称分布的Thue-Morse序列,所述Thue-Morse序列SN的迭代规则为:当N=1时,S2=A,当N≥2时SN=SN-1(SN-1中的A由AB代替,SN-1中的B由BA代替),A为第一电介质层;B为第二电介质层;其中下标N为序列的序数,第一电介质层和第二电介质层为两种折射率不等的均匀电介质薄片,所述Thue-Morse序列中还存在两层石墨烯薄片层,所述石墨烯薄片层分别嵌入在相邻两个第二电介质层之间;
位于非周期光子多层结构对称中心一侧的第一电介质层称之为第一损耗电介质层,通光状态下的折射率表示为na;位于非周期光子多层结构对称中心另一侧的第一电介质层称之为第一增益电介质层,通光状态下的折射率表示为na';与第一增益电介质层同侧的第二电介质层称之为第二增益电介质层,通光状态下的折射率表示为nb;与第一损耗电介质层同侧的第二电介质层称之为第二损耗电介质层,通光状态下的折射率表示为nb';
na=nA+0.01qi,na'=nA-0.01qi,nb=nB-0.01qi,nb'=nB+0.01qi,其中i为虚数单位,q为增益-损耗因子,nA为第一电介质层折射率的实部,nB为第二电介质层折射率的实部;第一电介质层和第二电解质层的厚度均为各自的1/4光学波长;损耗可以通过掺杂金属离子来实现,增益通过非线性二波混频得到,入射光为横磁波,从多层电介质结构的任一侧垂直入射;
当某波长值的入射光正、反向入射时,0反射率(EP)点轨迹曲线发生分裂,这些EP点在归一化频率轴上的位置是增益损耗因子的函数,每个EP点都是光子多层在PT对称相和非对称相之间相互转换的临界点;在这些转换临界点,反射系数相位(φrf+φrb)/2在都会产生±π/2的跳变,可以用于相位编码;同时,可改变增益-损耗因子或石墨烯的化学势来实现对可隐身入射光的波长调整。
2.根据权利要求1所述一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构,其特征在于,所述第一电介质层为二氧化硅,所述第二电介质层为硅。
3.根据权利要求1或2所述一种可用于相位调制编码的非周期光子多层结构,其特征在于,所述石墨烯薄片层的厚度为0.001μm。
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