单向波导与单向光纤制造技术

本发明专利技术提供了一种单向波导的制备方法，包括将外尔晶体进行螺旋形空间调制。外尔晶体是能带结构中包含外尔点的晶体。采用本发明专利技术的方法制备的单向波导能够消除波的反射取代隔离器，也消除了各类线性散射并降低损耗，亦抑制了非线性散射从而提高波导信号强度阈值，并且能够实现任意多条群速度和相速度相同的传输模式，从而实现信号的同步传输。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及波导，尤其涉及一种单向波导的制备方法，更具体地涉及一种单向光纤和单向光纤的制备方法。
技术介绍
波导是一种约束或引导波的结构，光纤作为一种光波导工具广泛应用于通讯、感测、生物医学和其他光波
普通光纤主要由纤芯和包层构成，参见图1(a)，其借助于光在纤芯和包层界面上的全反射来实现光的传输。光子晶体光纤(PhotonicCrystalFibers,PCF)又被称为微结构光纤(Micro-StructuredFibers,MSF)，参见图1(b)，近年来引起广泛关注，它的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。然而，现有光纤的性能由于散射和反射的存在而被限制，例如，瑞利散射决定了光纤损耗的下限，在不规则界面和微弯曲处的米氏散射产生光纤的损耗，受激布里渊散射(SBS)会反向耦合前向信号从而限制光纤中的信号强度，接头和缺陷处的菲涅尔反射造成了光纤中的反射，因此，现有技术的光纤都不是单向光纤。虽然现有技术已经有一些关于单向波导的报道，但是，现有的单向波导都是在二维体系的边缘实现，在已知的这些单向波导中最多存在四条传输模式，并且这些传输模式的群速度和相速度都不同，因而无法实现信号的同步传输。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种单向波导的制备方法，包括将外尔晶体进行螺旋形空间调制。根据本专利技术的单向波导的制备方法，其中所述外尔晶体的能带结构包括n个外尔点，其中，n为正整数。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述螺旋形空间调制包括对所述外尔晶体的一个或多个物理参量进行空间调制，使得所述物理参量是角度θ的函数，θ是柱坐标系下的角度坐标。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述物理参量为材料占空比、材料构成、介电常数、磁导率、折射率、密度、杨氏模量、结构形变、原子种类或原子排布。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述外尔点中任意一对外尔点的狄拉克哈密顿量为其中，σx、σy、σz和τz是Pauli矩阵，v是外尔点附近的波传播的群速度。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，在柱坐标情况下，所述单向波导的外尔点的有效哈密顿量满足：Heff=vkz,-iveiθ(∂∂r-ir∂∂θ),m0eiwθ,0-iveiθ(∂∂r+ir∂∂θ),-vkz0,m0e-iwθm0e-iwθ,0,-vkz,ive-iθ(∂∂r-ir∂∂θ),0,m0e-iwθ,iveiθ(∂∂r+ir∂∂θ)vkz,]]>根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述外尔晶体为外尔光子晶体、外尔声子晶体或外尔电子晶体。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述外尔光子晶体包括磁光材料和空气，以外尔光子晶体中的任意点作为原点建立x-y-z坐标系，所述磁光材料所在的位置满足经过螺旋形的空间调制之后，所得到的单向波导中磁光材料的位置满足其中，为整数，的符号决定波的传播方向，的大小决定所述单向波导中单向模的数量，f0＝0.4，Δf＝0.07，a为常数。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述磁光材料相对于所述单向波导传输的波长的介电常数为磁导率为μ＝1。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述磁光材料为旋磁材料或旋电材料。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述旋磁材料为钇铁石榴石(Yttriumirongarnet，YIG)。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，所述a的值为所述单向波导传输的波长的一半。根据本专利技术的单向波导的制备方法，优选地，±2或±3。本专利技术还提供了一种单向波导，其采用根据本专利技术的单向波导的制备方法制备。本专利技术的单向波导能够在三维体系的中心实现任意多条群速度和相速度相同的传输模式，从而实现信号的同步传输；能够消除了波的反射和散射，从而降低损耗，简化波导接口的设计；抑制了布里渊散射和拉曼散射等非线性散射，大大提高光纤信号传输能量阈值；并且在应用过程中也不需要专门的隔离器来隔离反射波，能够实现器件的集成化和小型化。在单向空心光纤中，光对光纤中的颗粒没有正向推动力，可以实现光纤中的颗粒捕获。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中：图1(a)和图1(b)分别为现有技术的普通光纤和光子晶体光纤的结构示意图。图2(a)示出沿z方向磁化的DG光子晶体的两个立方晶胞；图2(b)示出图2(a)所示的立方晶胞的带结构，其示出两个外尔点，这两个外尔点在超晶胞的布里渊区折叠成一个3D狄拉克点；图2(c)示出占空比沿z方向周期性调制的DG光子晶体；图2(d)示出图2(c)所示的DG光子晶体的能带结构。图3(a)示出平面调制的DG光子晶体；图3(b)示出单螺旋(singlehelix)调制的DG光子晶体；图3(c)示出双螺旋(doublehelix)调制的DG光子晶体；图3(d)示出三螺旋(triplehelix)调制的DG光子晶体；图3(e)示出图3(a)所示DG光子晶体的能带结构；图3(f)示出图3(b)所示DG光子晶体的能带结构；图3(g)示出图3(c)所示DG光子晶体的能带结构；图3(h)示出图3(d)所示DG光子晶体的能带结构；图3(i)示出图3(b)所示DG光子晶体中的单向模的模场分布；图3(j)示出图3(c)所示DG光子晶体中的两个单向模的模场分布；以及图3(k)示出图3(d)所示DG光子晶体中的三个单向模的模场分布。具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。外尔(Weyl)晶体是能带结构中具有外尔点的晶体，而外尔光子晶体就是能带结构中具有外尔点的光子晶体。本专利技术人发现，外尔晶体通过螺旋形的空间调制可以实现单向波导，更特别地，外尔光子晶体通过螺旋形的空间调制就可以实现单向光纤。对外尔晶体进行空间调制就是对外尔晶体的一个或多个物理参量(包括体积分数、折射率、磁化强度或结构形变等)进行空间调制，所谓螺旋形的空间调制就是物理参量是角度θ的函数，θ是柱坐标下的角度坐标。在有效哈密顿量中，空间调制对应狄拉克质量项，而螺旋形的调制产生了狄拉克质量的一个拓扑非平庸的构型，进而产生单向波导模式。有效狄拉克哈密顿量本专利技术人从两个外尔点的情况出发开始证明。每个外尔点由一个二分量的有效哈密顿量描述，所以系统总体由一个四分量的狄拉克哈密顿量描述：HD=-iv(σx∂x+σy∂y+σz∂z)τz,---(1)]]>这里σi，τi(i＝x，y，z)是Pauli矩阵，v是外尔点附近的波传播的群速度。为方便起见，我们取v>0。一个沿着z方向的周期合适的调制可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单向波导的制备方法，包括将外尔晶体进行螺旋形空间调制。

【技术特征摘要】
1.一种单向波导的制备方法，包括将外尔晶体进行螺旋形空间调制。2.根据权利要求1所述的单向波导的制备方法，其中，所述外尔晶体的能带结构包括n个外尔点，其中，n为正整数。3.根据权利要求1所述的单向波导的制备方法，其中，所述螺旋形空间调制包括：对所述外尔晶体的一个或多个物理参量进行空间调制，使得所述物理参量是角度θ和z的函数，θ是柱坐标系下的平面极坐标角度，z为第...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆凌，汪忠，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11