本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，具體是一種具有非對(duì)稱(chēng)基元結(jié)構(gòu)的一維磁性光子晶體鏈。

背景技術(shù)：

在過(guò)去幾十年，非互易光學(xué)器件，例如：光隔離器，允許光束沿著一個(gè)方向傳輸，而對(duì)背向散射有很強(qiáng)的抑制作用，因此吸引了很多的關(guān)注。傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)非互易傳輸器件主要依賴(lài)于外加偏置磁場(chǎng)情況下的磁光法拉第效應(yīng)，但是法拉第旋轉(zhuǎn)器比較笨重，阻礙了器件的小型化設(shè)計(jì)。2008年，Z. Wang等實(shí)驗(yàn)研究了四方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的磁性光子晶體中，由于k點(diǎn)兼并被打破，具有單向傳輸?shù)倪吘墤B(tài)，并且還采用有效哈密頓方法計(jì)算驗(yàn)證了這種體系的二次型簡(jiǎn)并點(diǎn)附近能帶中具有非零陳數(shù)[Z. Wang, Y. D. Chong, J. D. Joannopoulos, et al, Phys. Rev. Lett.100, 013905 (2008)]，正式開(kāi)啟了光拓?fù)鋺B(tài)的研究。2012年，Poo等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于磁表面等離極化激元的單向傳輸波導(dǎo)[Y. Poo, R. X. Wu, S. Y. Liu, et al., Appl. Phys. Lett. 101,081902(2012)]。2011年，Liu等人用兩塊加正反方向的偏置磁場(chǎng)的磁性光子晶體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了磁表面等離激元單向傳輸特性[S. Liu, W. Lu, Z. Lin, et al., Physical Review B 84(4), 045425(2011)]。另外，基于同時(shí)打破空間和時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性但遵循空間時(shí)間對(duì)稱(chēng)性，C.He等提出了一種具有半圓柱基元的二維磁性光子晶體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)體波模式電磁波的單向傳輸[C. He, M. H. Lu, X. Heng, L. Feng, and Y. F. Chen, Phys. Rev. B 83, 075117(2011)]?？梢?jiàn)，實(shí)現(xiàn)非互易性效應(yīng)是電磁學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。目前人們對(duì)一維磁性光子晶體鏈實(shí)現(xiàn)非互易性的相關(guān)的理論機(jī)制、實(shí)現(xiàn)方法等認(rèn)識(shí)還不夠深刻和完善，特別是非互易性與對(duì)稱(chēng)性關(guān)聯(lián)性的研究處于起步階段，需要更深入的研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有非對(duì)稱(chēng)基元結(jié)構(gòu)的一維磁性光子晶體鏈，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種具有非對(duì)稱(chēng)基元結(jié)構(gòu)的一維磁性光子晶體鏈，采用具有空間不對(duì)稱(chēng)性的T型基元，以晶格常數(shù)a周期排列，構(gòu)成一維磁性光子晶體鏈。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：背景材料為各向同性介質(zhì)。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：通過(guò)改變基元的旋轉(zhuǎn)角度，從而改變基元鏡像對(duì)稱(chēng)性的破缺程度，能帶曲線左右不再對(duì)稱(chēng)，實(shí)現(xiàn)能量單向傳輸，并能調(diào)控單向波束傳輸方向、能量大?。划?dāng)基元的旋轉(zhuǎn)角度θ=90°時(shí)，能帶關(guān)于波矢k=0左右對(duì)稱(chēng)，能量左右傳輸，不具有單向性；當(dāng)基元的旋轉(zhuǎn)角度θ≠90°時(shí)，打破基元關(guān)于波束傳輸方向上的鏡像對(duì)稱(chēng)性，能帶關(guān)于波矢k=0左右不對(duì)稱(chēng)，能量具有單向傳輸特性。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：采用體波模式傳輸能量。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：T型基元采用鐵氧體材料。

作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：將T型基元替換為三角形基元或半圓基元。

工作原理：本發(fā)明同時(shí)破缺空間反轉(zhuǎn)、時(shí)間反演、鏡像對(duì)稱(chēng)性，構(gòu)造了一種具有非對(duì)稱(chēng)基元結(jié)構(gòu)的一維磁性光子晶體鏈，實(shí)現(xiàn)單向的體波模式傳輸。由于鐵氧體材料磁導(dǎo)率為張量形式，一維磁性光子晶體鏈的時(shí)間對(duì)稱(chēng)性被打破。通過(guò)T型結(jié)構(gòu)基元的不對(duì)稱(chēng)性（當(dāng)時(shí)，上下不對(duì)稱(chēng)，左右對(duì)稱(chēng)）打破了該一維磁性光子晶體鏈的空間對(duì)稱(chēng)性。特別要說(shuō)明，另外的一些破缺空間對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)也是可以作為基元的，比如三角形結(jié)構(gòu)、半圓結(jié)構(gòu)等。通過(guò)改變基元的旋轉(zhuǎn)角度，打破關(guān)于波束傳輸方向的鏡像對(duì)稱(chēng)性（本結(jié)構(gòu)是關(guān)于y=0軸上下鏡像）。通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)、能量傳輸仿真及實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的單向傳輸性。本發(fā)明具有可調(diào)控、可柔性排布等特點(diǎn)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明具有可調(diào)控、可柔性排布等特點(diǎn)，可大大降低實(shí)際加工的難度，解決二維結(jié)構(gòu)中橫向尺寸偏大的問(wèn)題，對(duì)促進(jìn)非互易技術(shù)在微波和光學(xué)器件的小型化和可調(diào)性、改善匹配等方面起著推動(dòng)作用。

附圖說(shuō)明

圖1：(a)T型鐵氧體柱基元的橫截面，其中l=4mm，(b)對(duì)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)角度θ=90°的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖，(c)對(duì)應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)角度θ=0°的光子晶體能帶結(jié)構(gòu)圖，(d)是圖(c)的局部放大圖。

圖2：T型YIG基元旋轉(zhuǎn)不同角度的能帶圖，(a)θ=15°，(b)θ=45°，(c)θ=75°。

圖3：不同角度的一維光子晶體鏈的電場(chǎng)傳輸仿真圖：(a)θ=0°，(b)θ=15°，(c)θ=45°，(d)θ=75°，以上設(shè)置頻率0.372(c/a)為點(diǎn)源。(e)當(dāng)θ=90°時(shí)，點(diǎn)源頻率為0.376(c/a)。

圖4：能流傳輸仿真圖，對(duì)應(yīng)的角度為：(a)θ=0°，(b)θ=15°，(c)θ=45°，(d)θ=75°，(e)θ=90°。

圖5：實(shí)驗(yàn)測(cè)試傳輸譜圖，(a)測(cè)量所制備的樣品，(b)θ=0°，(c)θ=15°，(d)θ=45°，(e)θ=75°，(f)θ=90°。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本申請(qǐng)受江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(16KJB510004)、淮安市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 （工業(yè)及信息化）（HAG2015039）、江蘇省2016年大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201610323020Z)支持。

本發(fā)明實(shí)施例中，提供了一種具有非對(duì)稱(chēng)基元結(jié)構(gòu)的一維磁性光子晶體鏈，具體描述如下。

本發(fā)明主要設(shè)計(jì)的是一維磁性光子晶體鏈，該結(jié)構(gòu)將基元按周期沿傳輸方向（x軸方向）排列，但是它在y軸方向是具有有限高度的，如圖1（a）所示。本發(fā)明利用有限元方法計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)圖，圖1(b-d)顯示計(jì)算結(jié)果。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度θ=90°時(shí)，頻率0.29(2πc/a)和0.38(2πc/a)處，對(duì)應(yīng)的能帶源于Bragg散射。在區(qū)域0<k<π/a 和?π/a<k<0中其能帶是左右對(duì)稱(chēng)的，這時(shí)候鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中的電磁波并不具有單向的群速度。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度θ=0°時(shí)，一維光子晶體鏈的模型結(jié)構(gòu)如圖1(c)插圖所示，這時(shí)T型基元的關(guān)于x軸的對(duì)稱(chēng)性被破壞，而關(guān)于y軸的對(duì)稱(chēng)性還保持。整個(gè)光子晶體鏈?zhǔn)顷P(guān)于y=0平面是不對(duì)稱(chēng)的。這種結(jié)構(gòu)時(shí)的能帶結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。通過(guò)對(duì)比正負(fù)波矢所對(duì)應(yīng)的能帶，可以發(fā)現(xiàn)在頻率0.295(2πc/a)、 0.376(2πc/a)附近，導(dǎo)波模式在兩個(gè)相反的方向是不對(duì)稱(chēng)的。并且頻率0.376(c/a)處的能帶細(xì)節(jié)部分如圖1(d)所示。這就意味著可以產(chǎn)生單向傳輸，應(yīng)用效果明顯。

上述非對(duì)稱(chēng)能帶生成機(jī)制主要是非對(duì)稱(chēng)體波模式傳輸，它完全不同于拓?fù)溥吔鐟B(tài)、基于磁表面等離極化激元邊界態(tài)。能帶圖中，梯形陰影部分表示了光錐區(qū)域，梯形兩側(cè)的陰影區(qū)域表示的是基于此基元的二維磁性光子晶體所具有的體模能帶圖。從圖中可以看磁性光子晶體鏈所生成的體模能帶基本落到梯形兩側(cè)的陰影區(qū)域中。這時(shí)的能帶是由于同時(shí)破缺空間反轉(zhuǎn)、時(shí)間反演、鏡像對(duì)稱(chēng)性造成的體波模式傳輸。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)θ角時(shí)，鏡像對(duì)稱(chēng)性的破缺程度將會(huì)發(fā)生改變，這將導(dǎo)致能帶圖上的曲線發(fā)生變化。圖2給出了T型YIG基元不同旋轉(zhuǎn)角度的能帶圖。可見(jiàn)，利用旋轉(zhuǎn)角度可以有效的調(diào)節(jié)能帶的頻率、對(duì)稱(chēng)程度。實(shí)現(xiàn)能量單向傳輸，并能調(diào)控單向波束傳輸方向、能量大小。

為了清晰的描述單向傳輸進(jìn)行傳輸特性，對(duì)不同旋轉(zhuǎn)角度的一維鏈?zhǔn)侥Ｐ瓦M(jìn)行了電場(chǎng)傳輸仿真計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖3，其中點(diǎn)源的位置由空心五角星標(biāo)示。觀察發(fā)現(xiàn)電磁波的能流主要集中在鏈柱內(nèi)部，而不是在磁柱和空氣界面處。圖3(a)-(b)中，電磁波僅僅向點(diǎn)源右側(cè)傳輸，不會(huì)產(chǎn)生背向散射，表現(xiàn)出很好的自導(dǎo)單向特性。圖3(c)-(d)中，電磁波僅向點(diǎn)源左側(cè)傳輸，背向散射被抑制。圖3(e)給出電場(chǎng)雙向傳輸?shù)姆抡鎴D，電磁波同時(shí)激發(fā)起向左右兩邊傳輸?shù)捏w波。圖4為各種角度的一維光子晶體鏈的能流仿真圖。在單向傳輸?shù)慕嵌葧r(shí)，能流體現(xiàn)出很好的反向抑制特點(diǎn)，前向和反向傳輸能量相差最高有60dB。

基于前面的理論分析和電磁仿真，本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一維光子晶體鏈的傳輸譜。按照上述計(jì)算中相同的幾何尺寸和材料參數(shù)制備了實(shí)際樣品，當(dāng)外加偏置磁場(chǎng)為600Oe 時(shí)，圖5給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試傳輸譜圖，其中圖5 (a)測(cè)量所制備的樣品。鐵氧體柱高10mm，上下為金屬蓋板。

圖5(f)給出了角度q=的傳輸譜。在位置0.368-0.386(c/a)存通帶，與理論吻合的很好。前向傳輸?shù)腟12和背向傳輸?shù)腟21基本相同，表明q=時(shí)光子晶體鏈的傳輸不具有非互易性。不改變測(cè)試環(huán)境，旋轉(zhuǎn)測(cè)試樣品中鐵氧體柱的角度。圖5(b-e)測(cè)量了具有不同旋轉(zhuǎn)角度時(shí)鏈?zhǔn)酱判怨庾泳w鏈的傳輸譜，與理論計(jì)算的能帶圖一致。前向傳輸?shù)腟12 和背向傳輸?shù)腟21存在明顯的不同。例如在圖5(b)中，在0.378(c/a)，前向傳輸?shù)腟12 幅值遠(yuǎn)大于背向傳輸?shù)腟21，約為47dB 左右。這一結(jié)果表明在該頻率范圍內(nèi)電磁波只能正向(+x 軸方向)傳播；背向(-x方向)傳輸譜是一阻帶，電磁波無(wú)法傳播。

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。