一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导制造技术

本发明专利技术公开了一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，该慢光波导包括两块相同尺度的光子晶体介质柱阵列、一个平行板波导、吸波材料以及发射端单极子天线；光子晶体介质柱阵列为二维正方点阵结构，周围四面是吸波材料；光子晶体介质柱阵列和吸波材料均位于平行板波导之间；发射端单极子天线位于两块光子晶体介质柱阵列之间的中心区域，在被施加大小和方向相同的外部磁场时，发射端单极子天线产生的电磁波能够形成沿着阵列的中心区域单向传输的边界态，通过调节外部磁场的大小和两块光子晶体介质柱阵列之间的距离，能够实现对波导中电磁波的工作频率和传输群速度的调节。本发明专利技术具有传输速度可控、工作频率可调控、光损耗小、制备工艺简单等优点。备工艺简单等优点。备工艺简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导


[0001]本专利技术涉及半导体光电子器件领域，尤其是涉及一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导。

技术介绍

[0002]自1999年丹麦物理学家L.V.Hau及其团队成功将一束波的传播速度降至17m/s以来，慢光的研究引起了国际越来越多的学者的关注，多种实现慢光的方法也相继被提出。国内外在慢光领域的研究已经取得了一些重要的进展。2003年罗切斯特大学光学研究所利用相干布局振荡的方法在常温下实现了慢光，使得慢光的研究具备了实用意义。2005年IBM公司宣布利用光子晶体制备的波导管可以成功地将光速降至真空中的三百分之一。成果在《自然》杂志上刊登后，引起了科学界的强烈反响，标志着慢光的研究已经引起了国际越来越多的学者的关注，多种实现慢光的方法也相继被提出。之后，Tsakmakidis于2007年利用左手材料具有负位移这一特征，设计了一个渐变的一维介质板波导。入射光进入该波导后速度减慢最终停止，而且不同频率的光所停位置不同，形成了一个“被捕获的彩虹”，该工作在《自然》杂志发表后获得了高度评价。与其他慢光产生机制相比，光子晶体波导拥有能够在常温下激发和产生任意波长的慢光等优势，利用光子晶体构建慢波系统成为近几年的发展趋势。目前，国内外在慢光领域的研究水平都比较高，但也存在一些挑战和机遇。一方面，需要更深入的理论研究来解释慢光现象的本质和光
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物质相互作用机制。另一方面，也需要开发新的材料和器件来满足不同应用场景的需求。未来，慢光研究的发展趋势可能包括以下几个方面：一是探索更多的慢光材料和器件，如石墨烯、二维材料、新型光子晶体等；二是开发高效、可靠的制备技术，如控制成核和生长、界面工程等；三是探索慢光的新应用，如光电开关、全光计算、新型传感器等。
[0003]慢光是一个国内外蓬勃发展的课题，华南理工大学的李志远教授利用两个相同的磁性光子晶体的量子霍尔效应构建了一个慢光波导，两种反向拓扑状态的强耦合显著降低了电磁波传输的群速度，允许模拟可切换的慢光捕获和释放。不过，慢光波导在布拉格带隙下工作，这可能导致不利于光学和微波器件的高阶模式的激发。为了解决这个问题，Hironobu等人提出了一种使用谷光子晶体实现慢光波导的方法，该方法可以对后向散射和大角度弯曲损耗表现出很强的鲁棒性。Jonathan等人提出利用调节柱之间的耦合来控制拓扑边缘态的特性，从而形成慢光，但系统结构复杂，难以实现。但是目前的慢光研究都没有对解决满光波导的工作带宽问题提出一个合理的解决方案，本专利技术针对目前慢光波导工作带宽较窄的问题，提出利用磁可调改变工作频率的方式来实现宽频工作，大大提高慢光波导的工作频率范围。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，具有传输速度可控、工作频率可调控、光损耗小、制备工艺简单等优点。
[0005]技术方案：为达到上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，包括两块相同尺度的光子晶体介质柱阵列、一个平行板波导、吸波材料以及发射端单极子天线；所述光子晶体介质柱阵列为二维正方点阵结构，周围四面是吸波材料；光子晶体介质柱阵列和吸波材料均位于平行板波导之间；所述发射端单极子天线位于两块光子晶体介质柱阵列之间的中心区域，所述发射端单极子天线及两块光子晶体介质柱阵列在被施加大小和方向相同的外部磁场时，发射端单极子天线产生的电磁波能够形成沿着两块光子晶体介质柱阵列的中心区域单向传输的边界态，通过调节外部磁场的大小和两块光子晶体介质柱阵列之间的距离，能够实现对波导中电磁波的工作频率和传输群速度的调节。
[0007]进一步地，光子晶体介质柱为铁氧体圆柱材料。
[0008]进一步地，光子晶体介质柱的材料为饱和磁化强度为1884Oe的钇铁石榴石。
[0009]进一步地，通过增加外部磁场的大小，提高慢光波导的工作频率。
[0010]进一步地，通过减小两块光子晶体介质柱阵列的距离，减小慢光波导内传输电磁波的群速度。
[0011]进一步地，两块光子晶体介质柱阵列之间的距离小于或者等于两块光子晶体介质柱阵列的晶格常数。
[0012]进一步地，传播方向上的电磁波传输的群速度远远小于光速，表征慢光效应强弱的慢光因子大于100。
[0013]进一步地，波导的传输通道之内存在着杂质干扰时，波导依然具有慢光效应。
[0014]有益效果：本专利技术提供的一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，是一种基于磁场调制的微波传输线路，可以通过调节磁场来改变其传输特性。其主要工作原理是通过在传输线中引入磁场，通过调节外部磁场的大小和两块光子晶体介质柱阵列之间的距离，可以实现对波导中电磁波的工作频率和传输群速度的调节。两块光子晶体介质柱阵列各支持一个沿相反方向传输的手性边界态，当两块光子晶体介质柱阵列逐步靠近时，由于强耦合，能量会产生环流，当距离合适时，电磁波局域中心区域，形成慢光。本专利技术研究的光子晶体带隙属于磁带隙，所以其带隙频率范围对外加磁场敏感。这一点不同于以往的慢光波导系统往往工作在传统的拓扑带隙频率范围以内，磁带隙的频率磁可调性为本专利技术实现宽频带的慢光波导奠定了基础。与现有技术相比，本专利技术通过磁场调节光子晶体中的磁光效应，实现光子传输速度的可调控以及频率可调控。这种磁可调慢光波导具有传输速度可控、工作频率可调控、光损耗小、制备工艺简单等优点，具有广泛的应用前景。例如，可以应用于光通信、光存储、量子计算等领域。
附图说明
[0015]图1是本专利技术实施例的三维模型结构示意图。
[0016]图2是本专利技术实施例的二维示意图。
[0017]图3是本专利技术实施例中的能带图以及实验测量的能带图。
[0018]图4是本专利技术实施例中的外加磁场分别为500Oe、600Oe、700Oe时的能带图。
[0019]图5是本专利技术实施例存在缺陷时的二维示意图以及电场分布图。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术。应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0021]本专利技术实施例公开了一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，主要包括光子晶体介质柱1阵列、平行板波导2、吸波材料3、保持打开状态的发射端单极子天线4、接收端单极子天线6(接收端单极子天线用作本实施例中实验探测用，可以放置在同一条线上的任意位置，实际使用场景不是必须的)。光子晶体介质柱阵列为两块间距为d的二维正方点阵结构的光子晶体子阵列构成，光子晶体阵列的四面是吸波材料3；铁磁材料阵列和吸波材料均位于平行板波导2之间。
[0022]该慢光波导基于二维正方点阵的铁氧体阵列结构，将铁氧体阵列沿着x轴和y轴方向等间隔排列，通过调节频率，发射端的单极子天线发射出的电磁波可以形成一个沿着理想电导体单向传输的局域边界态。即在特定的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，其特征在于，包括两块相同尺度的光子晶体介质柱阵列、一个平行板波导、吸波材料以及发射端单极子天线；所述光子晶体介质柱阵列为二维正方点阵结构，周围四面是吸波材料；光子晶体介质柱阵列和吸波材料均位于平行板波导之间；所述发射端单极子天线位于两块光子晶体介质柱阵列之间的中心区域，所述发射端单极子天线及两块光子晶体介质柱阵列在被施加大小和方向相同的外部磁场时，发射端单极子天线产生的电磁波能够形成沿着两块光子晶体介质柱阵列的中心区域单向传输的边界态，通过调节外部磁场的大小和两块光子晶体介质柱阵列之间的距离，能够实现对波导中电磁波的工作频率和传输群速度的调节。2.根据权利要求1所述的一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，其特征在于，光子晶体介质柱为铁氧体圆柱材料。3.根据权利要求1所述的一种工作频率磁可调的光子晶体慢光波导，其特征在于，光子晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲殷，范龙臻，张潇，沈承霆，刘杰伦，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：