【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电子晶体，具体涉及一维各向异性光子晶体以及基于一维各向异性光子晶体的多通道自旋转换器件。
技术介绍
0、技术背景
1、光同时拥有自旋角动量与轨道角动量。当自旋圆偏振光由一种介质入射到另一种介质，透射(反射)光含有自旋相同的正常光和自旋翻转的异常光。由于自旋轨道耦合，自旋翻转的异常光展现出很多奇特的效应，例如，涡旋光的产生以及光的自旋霍尔位移等。因此，如何提高异常光的产生效率、减少正常光的产生是目前的研究热点。一般来说，要产生完美的自旋转换需要满足两个条件：(1)圆极化光的两种线极化分量(p-和s-光)分量的透射(或反射)率足够高(接近为1)；(2)两种线极化分量透(反)射相位反相。对于普通的介质板来说，很难同时达到上述的两个条件，因此其能实现的自旋转换效率很低。目前有研究利用超表面和二维光子晶体实现自旋转换，由于其材料制备的复杂度和材料的本征耗散，导致其自旋转换效率远达不到理想状况。
2、另一方面，对于一维有限光子晶体来说，由于丰富的局域共振，存在拓扑奇异点和布拉格反射射共振模式使得其完美透射。此外通过加入各向异性材料可以增大两种线偏振分量的相对透射相位差。因此，通过带有各向异性材料的一维光子晶体，有望满足上述两个条件以实现自旋圆偏振光完美自旋翻转。该设计具有制备简单、参数可调和自旋转换效率高等优势。
技术实现思路
1、本专利技术目的是为克服现有技术中自旋转换效率低、制备困难等不足，提供一种一维各向异性光子晶体以及基于一维各向异性光子晶体的自
2、本专利技术提出的一维各向异性光子晶体，是基于一维有限光子晶体两个特殊的完美透射共振模式：拓扑奇异点(即周期结构的拓扑荷和零散射点)和布拉格反射共振点(即一维有限结构中由共振导致的反射零点)对光进行完美自旋调控的器件。如图1(a)所示，当高斯圆偏振光入射到该光子晶体时，反射光为0，透射光占比100％。当透射光中自旋相反的分量占比100％时，称其为完美自旋转换调控；当透射光中自旋相同的分量占比100％时，称其为完美自旋保持调控。本专利技术提出的一维各向异性光子晶体同时实现多通道的完美自旋转换和完美自旋保持。
3、本专利技术提出的一维各向异性光子晶体，圆偏振光自旋转换和自旋保持效率分别为：
4、
5、对于拓扑奇异点和布拉格散射共振模式，其透射率为1。当透射波p-极化和s-极化的相位差为π的奇数倍时，实现圆偏振光完美自旋翻转；当透射波p-极化和s-极化的相位差为π的偶数倍时，实现圆偏振光完美自旋保持。
6、本专利技术提出的一维各向异性光子晶体，是由x,、y方向均匀的原胞在z方向上周期延拓叠合的各向异性光学薄膜实现；其中，所述原胞由a和b两层介质材料组成，其长度分别为da和db。a材料和b材料可以都是广泛意义上的各项异性材料，其折射率分别记为：na＝(na1；na2；na3)；nb＝(nb1；nb2；nb3)，分别表示a材料和b材料在x,、y、z三个方向的折射率；在z方向上，该光子晶体的周期数为n，两边均是空气，参见图1(b)。
7、本专利技术提供的圆偏振光完全自旋转换一维光子晶体，利用一维光子晶体拓扑奇异点和布拉格散射共振模式，实现p-极化和s-极化的近似完全透射；因此存在着四种组合形式：
8、(1)s-极化：拓扑奇异点，p-极化：拓扑奇异点；
9、(2)s-极化：拓扑奇异点，p-极化：拉格反射共振模式；
10、(3)s-极化：拉格反射共振模式，p-极化：拓扑奇异点；
11、(4)s-极化：拉格反射共振模式，p-极化：拉格反射共振模式。
12、对于第一种组合形式需满足：
13、
14、其中，是s极化和p极化在传播方向的波矢。
15、对于后三者种组合形式需满足：
16、
17、其中，n是光子晶体周期原胞数；
18、即满足式(2)和式(3)的折射率na和nb的a材料和b材料为原胞在z方向上周期延拓叠合的各向异性光学薄膜，就能实现一维各向异性光子晶体的功能。
19、本专利技术提供的圆偏振光完全自旋转换一维光子晶体，为了实现更多的圆偏振光完美自旋转换/保持通道，必须使得式(2)和式(3)有更多的解，也即是a材料和b材料对不同的极化有更强的各向异性。考虑到制备的复杂性等，本专利技术优选确定a材料和b材料折射率分别为：na＝(1；1；1)；nb＝(1.2；1.2；2)，长度分别为：da＝0.5λ,db＝0.5λ，其中，λ为周期长度。通过调整不同的周期长度λ，可以使得器件应用到电磁波各个频段：长波段、微波/射频段、太赫兹、红外、可见光、紫外、x和γ波段。
20、本专利技术中，一维有限光子晶体的周期原胞数n决定了完美自旋转换/保持通道的数目。如图3所示，当原胞数为n时，完美自旋转换和完美自旋保留的总通道数目可达到3n。完美自旋转换通道和完美自旋保留通道是由两种机制组成：其中3条由s-极化和p-极化拓扑奇异点-拓扑奇异点相互作用产生的，其在{ω,θ}空间的轨迹不随周期数n的变化；另外3(n-1)条由s-极化和p-极化拓扑奇异点-布拉格反射共振模式和布拉格反射共振模式-布拉格反射共振模式相互作用产生的，其在{ω,θ}空间的轨迹随周期数n发生移动。
21、本专利技术还包括一种多通道的完美自旋转换/保持器件及其设计；这里通道包括角度通道和频率通道。
22、(一)多角度通道的完美自旋转换/保持器件的设计，具体步骤如下：
23、第一步：先根据预期频率f0和所需通道数确定光子晶体周期数n；以n＝3为例；
24、第二步：画出角度和归一化频率{θ,ω}空间中的自旋转换二维图，找到一个最佳归一化频率点ω0，使得每个角度通道都有较好的自旋转换效率；如图3(c)，在归一化频率ω0＝8.83处存在优化的多角度自旋转换/保持通道；
25、第三步：根据第二步中归一化频率ω0和第一步中所需频率f0，确定光子晶体的周期长度λ；
26、第四步：分析各个通道的自旋转换效率通道的角宽、转换效率等特性，如图4(c)所示；确定该器件实现多角度的完美自旋转换和自旋保持通道。
27、(二)多频率通道的完美自旋转换/保持器件的设计，具体步骤如下：
28、第一步：先根据预期所需大体频率通道范围和通道数确定光子晶体周期数n；以n＝5为例；
29、第二步：画出角度和归一化频率{θ,ω}空间中的自旋转换二维图，找到一个最佳归一化角度θ0，使得每个频率通道都有较好的自旋转换效率；如图6(a)，在入射角度θ＝43.9°处存在优化的多频率自旋转换/保持通道；
30、第三步：根据第二步中通道中心的归一化频率ω和第一步中所需频率，确定光子晶体的周期长度λ，本例中预期覆盖光通信范围c-波段(1530-1565nm)，实现光通信波段的自旋调控，因此λ＝10.5μm；
31、第四步：分析各个频率通道的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种一维各向异性光子晶体，其特征在于，是基于一维有限光子晶体两个特殊的完美透射共振模式：拓扑奇异点即周期结构的拓扑荷和零散射点，与布拉格反射共振点即一维有限结构中由共振导致的反射零点对光进行完美自旋调控的器件；
2.根据权利要求1所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，圆偏振光自旋转换和自旋保持效率分别为：
3.根据权利要求2所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，是由x、y方向均匀的原胞在z方向上周期延拓叠合的各向异性光学薄膜实现；其中，所述原胞由A和B两层介质材料组成，其长度分别为dA和dB；A材料和B材料为各项异性材料，其折射率分别记为：
4.根据权利要求3所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，利用一维光子晶体拓扑奇异点和布拉格散射共振模式，实现p-极化和s-极化的近似完全透射；存在着四种组合形式：
5.根据权利要求4所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，取A材料和B材料折射率分别为：nA＝(1；1；1)；nB＝(1.2；1.2；2)，长度分别为：dA＝0.5Λ，dB＝0.5Λ，其中，Λ为周期长度；通过调整周期长度Λ，
6.根据权利要求1-4之一所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，完美自旋转换/保持通道的数目由一维有限光子晶体的周期原胞数N决定；当原胞数为N时，完美自旋转换和完美自旋保留的总通道数目达到3N；完美自旋转换通道和完美自旋保留通道是由两种机制组成：其中，3条由s-极化和p-极化拓扑奇异点-拓扑奇异点相互作用产生，其在{ω，θ}空间的轨迹不随周期数N的变化；另外3(N-1)条由s-极化和p-极化拓扑奇异点-布拉格反射共振模式和布拉格反射共振模式-布拉格反射共振模式相互作用产生，其在{ω，θ}空间的轨迹随周期数N发生移动。
7.一种基于权利要求1-6之一所述一维各向异性光子晶体的多角度通道和多频率通道的完美自旋转换/保持器件，其特征在于，由如下步骤设计得到：
...【技术特征摘要】
1.一种一维各向异性光子晶体，其特征在于，是基于一维有限光子晶体两个特殊的完美透射共振模式：拓扑奇异点即周期结构的拓扑荷和零散射点，与布拉格反射共振点即一维有限结构中由共振导致的反射零点对光进行完美自旋调控的器件；
2.根据权利要求1所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，圆偏振光自旋转换和自旋保持效率分别为：
3.根据权利要求2所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，是由x、y方向均匀的原胞在z方向上周期延拓叠合的各向异性光学薄膜实现；其中，所述原胞由a和b两层介质材料组成，其长度分别为da和db；a材料和b材料为各项异性材料，其折射率分别记为：
4.根据权利要求3所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，利用一维光子晶体拓扑奇异点和布拉格散射共振模式，实现p-极化和s-极化的近似完全透射；存在着四种组合形式：
5.根据权利要求4所述的一维各向异性光子晶体，其特征在于，取a材料和b材料折射率分别为：na＝(1；1；1)；nb＝(...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋寻涯，刘毓馥，王贤俊，祁兴超，熊浪浪，李云林，张浩然，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：
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