一种基于PT对称结构的波导结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于PT对称结构的波导结构，属于光电领域。本实用新型专利技术是由MO和增益/损耗材料组成的波导结构，再将PT对称结构引入波导设计，这个结构展现了不同于一般PT结构或磁光材料系统的特殊光学性质，这种结构能够将原有的禁带变为通带，也可将其变成单向传输的通带，在光隔离等集成器件的设计上有广泛的应用价值，并且PT结构的引入还可以为系统提供一个额外的自由度，能够获得更灵活的信号调节能力，在光电领域的集成器件中完美兼容。在光电领域的集成器件中完美兼容。在光电领域的集成器件中完美兼容。

【技术实现步骤摘要】
一种基于PT对称结构的波导结构


[0001]本技术属于光电领域，具体地说，涉及一种基于PT对称结构的波导结构。

技术介绍

[0002]近年来，时空对称性(Parity
‑
Time Symmetry)的非厄米光学系统中的奇异的物理性质和现象引起了人们广泛的关注。非厄米的光学系统的增益/损耗的大小和空间分布，能够对系统的本征值、能带结构进行调控，提高了光学系统的调控能力，从而产生更多新颖的光学现象。
[0003]根据现有技术中对局域PT对称结构与各项异性材料的研究，能够展现出一种传统磁光材料所不具备的新特性，并且在PT对称结构与磁光的结合下，对非厄米光学的研究也有显著的推进作用，而在光学系统与集成器件之中，这项研究也有广阔的发展前景。
[0004]而目前的科研和工业的设计上，并没有对该成果做出较为实用的经济上的转化，基于此，本技术提出了一种基于PT对称结构的特殊波导结构。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的上述问题，本技术的目的在于提供了一种基于PT对称结构的波导结构。
[0006]为解决上述问题，本技术采用如下的技术方案。
[0007]一种基于PT对称结构的波导结构，所述波导结构为方晶格阵列，上下为铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵列，铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵列之间为波导体材料阵列，波导体材料阵列由一列增益介质棒和一列损耗介质棒组成。
[0008]铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵的列晶格常数为a。
[0009]铁氧体钇铁石榴石柱的半径为0.145a。
[0010]增益和损耗介质棒的相对介电常数9
±
i*Γ的材料。
[0011]增益和损耗介质棒的半径为r＝0.24a。
[0012]所述铁氧体钇铁石榴石的相对介电常数为15。
[0013]所述铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵列在外磁场作用下，其磁导率张量为
[0014]相比于现有技术，本技术的有益效果为：
[0015]本技术相对于传统的磁光材料来说，能够更为灵活的调节光的传输，能够使原有的禁带变为通带，甚至是变为单向传输的通带，同时能够完美的兼容目前设计中的多种光学系统和集成器件，为其提供一个额外的自由度，获得更灵活的信号调控能力。
附图说明
[0016]图1为PT
‑
磁光波导示意图，其中虚线框代表超胞；
[0017]图2为计算得到的能带Γ＝0(实线)和Γ＝0.5(虚线)；
[0018]图3中(a)为曲线I的虚数部分，(b)为曲线II的虚数部分，其中实线代表Γ＝0，短线代表Γ＝0.5；
[0019]图4中(a)代表曲线I在H+，H
‑
和没有磁场时的虚数部分，(b)代表曲线II在H+，H
‑
和没有磁场时的虚数部分，(c)和(d)代表单边态传输的现象；
[0020]图5中(a)为T字形波导分束器示意图，五角星代表点源，没有增益和耗散时的传输，信号从上下两个端口输出，(b)为外加负磁场，引入增益和耗散时(Γ＝0.5)的信号传输，(c)为外加正磁场，Γ＝0.5时的信号传输。
具体实施方式
[0021]下面结合具体实施例对本技术进一步进行描述。
[0022]实施例1
[0023]本技术设计的复合结构如图1所示，上、下为铁氧体钇铁石榴石(YIG)的正方晶格阵列，晶格常数为a，YIG柱的半径为0.145a，波导的宽度为d＝1.5a。波导最内侧的YIG柱被相对介电常数为9
±
i*Γ的材料代替，其中Γ表示增益和损耗因子。因此，形成了由PT对称结构和磁光材料组成的复杂边界的特殊波导。当Γ＝0时，波导两侧为普通的材料柱子。当Γ≠0时，波导两侧的两行变为一排增益和一排耗散柱，形成局部PT对称系统。增益和损耗介质棒的半径选择为r＝0.24a。铁氧体的相对介电常数为15，在外磁场作用于平面外(y方向)时，表现强各向异性，磁导率张量的形式如下：
[0024][0025]在4.28GHz外磁场下，μ1＝14，μ
g
＝12.4。
[0026]此处我们考虑TM波入射，电场沿着z方向。入射波可以写成：
[0027][0028]我们采用虚线框所示的超原胞进行能带计算，根据布洛赫定理，
[0029]Φ(r)＝e
ikgr
φ(r)。
[0030]k是布洛赫波矢，对于每一个k可以求解出一系列的本征值，我们选择上下部分分别外加相同方向磁场的铁氧体介质材料，计算得到的能带如图2所示。为了展示PT对称结构对能带产生的影响，我们画出了当Γ＝0的时候(实线)和Γ＝0.5的时候的能带(虚线)。
[0031]从计算得到的能带图图2我们可以看出，在无耗散和增益材料时，上下部分由于磁光材料产生的单边态相互抵消，所以整体呈现出关于kx对称的两条能带曲线I和曲线II，分别对应于两种不同的禁带模式。但当引入耗散和增益材料时，曲线I和曲线II两个本征值发生了明显的演化，如图2所示，当Γ＝0.5时虚线所示禁带能带曲线两个能带相互靠近，带隙减小，出现了PT对称结构独特的光学特性。虽然在引入增益和耗散以后，曲线I和曲线II仍
然是对称的，但是我们发现它们出现了虚数部分，如图3所示，实线代表Γ＝0时的虚数部分，虚线代表Γ＝0.5时的虚数部分。这里出现的虚数色散关系不同于一般PT对称结构在PT破缺时出现的偶对称虚数关系，而是磁光
‑
PT结构特有的奇对称的虚数色散关系。
[0032]这种不对称的虚数会产生不对称传输甚至是单向传输特性，因为能量相同的两个态(实部频率相同)，只具有一个正的传输常数，正的虚部含义是信号在传播过程随着位移衰减，而负的虚部表示信号在传播过程随着位移增益。
[0033]实施例2
[0034]基于实施例1的实验，我们将外界的磁场方向反转，对应的虚数也发生了反转，如图4内的图(a)和图(b)所示，这对信号的传输产生了非常的重要的影响，因为原来带正的虚数是衰减的态在反转磁场后变成了增益，信号的单向传输方向反转。这不同于单纯的磁光材料的单边态是由于单向群速度的色散曲线导致的单向性。磁光材料边界态的单向传输是由于磁光材料的非互异性的非对角项电磁参数决定，磁光材料的外加静态磁场方向的改变，导致磁光材料非对角项数值正负发生交换，导致边界态的方向反转，从而产生单向传输的反转。不同与纯磁光介质的单边态，对于该PT
‑
磁光复合波导来说，两边的磁场方向相反抵消了单边态(图2)，通过外加磁场出现虚数且奇对称的传播常数，也出现出现类似单边态传输的现象，如图4中的图(c)和图(d)所示。当磁场的方向反转，会导致上下边界态的方向的反转，也同时出现导致禁带中传播常数虚数的反转。
[0035]实施例3
[0036]根据实施例1和实施例2中的得出的特性，在其基础上设计了如图5中图(a)所示的T字型波导，该T字形波导的竖直部本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PT对称结构的波导结构，其特征在于，所述波导结构为方晶格阵列，上下为铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵列，铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵列之间为波导体材料阵列，波导体材料阵列由一列增益介质棒和一列损耗介质棒组成。2.根据权利要求1所述的一种基于PT对称结构的波导结构，其特征在于，铁氧体钇铁石榴石柱晶格阵列的晶格常数为a。3.根据权利要求2所述的一种基于PT对称结构的波导结构，其特征在于，铁氧体钇铁石榴石柱的半径为0.145a。4.根据权利要求1所述的一种基于PT对...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕一航，余观夏，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：新型
国别省市：