[發(fā)明專利]基于光子晶體的自準(zhǔn)直零相移傳輸方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310576446.4
• 申請日: 2013-11-18
• 公開（公告）號: CN103576237A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董國艷
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大學(xué)
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光通訊、光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電磁波自準(zhǔn)直零相移傳輸?shù)姆椒ā?/p>

背景技術(shù)

全介質(zhì)基光子晶體作為一種新型的人造介質(zhì)材料以其優(yōu)良的性能和潛在的科學(xué)價(jià)值使之成為物理學(xué)、光子學(xué)、電磁場理論、材料科學(xué)、納米技術(shù)非常熱門的研究領(lǐng)域。光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)能夠賦予材料獨(dú)特的反常光學(xué)特性,通過對其空間結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)的調(diào)制，能夠在較大范圍內(nèi)對所傳播的電磁波或光波的傳輸性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控,被認(rèn)為是未來光子晶體器件在光信息領(lǐng)域走向?qū)嵱没耐黄瓶凇?/p>

電磁波的相位在通過具有二相性或多向性的材料時(shí)會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生相位的延后現(xiàn)象稱為相位延遲，并隨著在電磁波在不同介電材料中傳播距離的不同而在0～2π間連續(xù)變化。如何使電磁波能通過人造媒介零相移傳輸,讓光子芯片能攜帶信息而又實(shí)現(xiàn)信號的同相傳遞，在光通訊和光電子技術(shù)領(lǐng)域都是重大的進(jìn)步,將具有十分深遠(yuǎn)的影響。

為實(shí)現(xiàn)電磁波的等相位傳輸，最直觀的解決辦法是使傳播媒質(zhì)的介電常數(shù)為零。雖然自然界中就存在介電常數(shù)為零的物質(zhì)，例如,電子氣、地球大氣層的電離層，還有一些低損耗的貴金屬(如金,銀)、半導(dǎo)體和絕緣體(如碳化硅SiC)等，但它們僅在接近各自等離子頻率時(shí)具有類似的零折射率性質(zhì)。人們希望能夠在理想的較寬松的入射條件下(如較寬的頻段等)實(shí)現(xiàn)電磁波的零相移，超材料的出現(xiàn)為人們設(shè)計(jì)可控的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率材料提供了新的手段。一般材料的折射率可以表示為當(dāng)?shù)刃Ы殡姵?shù)ε_eff或磁導(dǎo)率μ_eff任意一個(gè)參數(shù)為零時(shí)，折射率n都將為零，即零折射率。近幾年，等效介電常數(shù)ε_eff或等效磁導(dǎo)率μ_eff其中一個(gè)為零或二者同時(shí)為零的零折射率超常介質(zhì)在理論上也得到了廣泛的關(guān)注和研究，然而，這些零折射率超材料的設(shè)計(jì)大部分是以美國加州大學(xué)圣迭戈分校的D.R.Smith等人提出的利用周期性排布的細(xì)銅導(dǎo)線和開口諧振環(huán)諧振模型為基礎(chǔ)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)的，頻譜范圍窄、制備復(fù)雜、難調(diào)制，且高損耗是金屬基超材料需要克服的主要問題。美國哥倫比亞大學(xué)瑟爾達(dá)·可卡曼研究小組利用具有負(fù)折射性質(zhì)的光子晶體結(jié)構(gòu)與折射率為正的媒介串聯(lián)在一起制成一維的超晶格復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用相位補(bǔ)償最終得到折射率為零的零相移材料，在紅外線波段實(shí)現(xiàn)了等相傳輸。但這種有效折射率逼近零的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備工藝非常復(fù)雜，很難保證相位變化真正為零，同樣存在頻段窄，不可調(diào)和成本高的問題，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用,難于推廣。最近清華大學(xué)周濟(jì)課題組提出的基于波前調(diào)制實(shí)現(xiàn)電磁波零相移傳輸?shù)姆椒ㄌ隽肆阏凵渎蕳l件的束縛，從平面波傳輸理論出發(fā)，利用介質(zhì)材料微結(jié)構(gòu)對電磁波進(jìn)行調(diào)制，使電磁波的等相位面與能流方向平行，為實(shí)現(xiàn)電磁波/光的零相移傳輸提供了新思路。然而，該方法中電磁波的折射方向?qū)﹄姶挪ǖ娜肷浞较蚍浅Ｃ舾校肷浣堑男》茸兓赡軙鹆阆嘁齐姶挪ǔ錾浞较虻膭×易兓嬖趯?shí)際操作困難和傳輸方向不確定的問題。如采用傳統(tǒng)自準(zhǔn)直儀調(diào)制的話必然會引入相移，與電磁波零相移傳輸?shù)哪繕?biāo)不符。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于光子晶體的電磁波自準(zhǔn)直零相移傳輸?shù)姆椒ā?/p>

本發(fā)明利用光子晶體的空間結(jié)構(gòu)決定其能帶結(jié)構(gòu)和等頻線(面)分布的性質(zhì)，通過對光子晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和介電性質(zhì)的調(diào)制，使處于特定波段的電磁波即使以不同入射角進(jìn)入光子晶體，仍然能夠沿固定折射方向以等相位面與能流方向平行的模式傳播，實(shí)現(xiàn)電磁波的自準(zhǔn)直零相移傳輸。

由于光子晶體的等頻線(面)的分布會隨著晶體空間結(jié)構(gòu)（包括晶格大小、形狀、占空比及空間群對稱性）和介電性質(zhì)的改變而發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電磁波傳輸性質(zhì)也隨之變化，所以我們可以通過對光子晶體材料空間結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)的調(diào)制來實(shí)現(xiàn)對電磁波傳輸性質(zhì)的調(diào)控。通常情況下，平面波的等相位面為垂直于傳播方向的一組平行的相位面，等相位面上的任意兩點(diǎn)的相位相同。當(dāng)特定波段的平面電磁波在具有特定結(jié)構(gòu)的光子晶體中傳播時(shí)，由于布拉格散射，傳播性質(zhì)受到調(diào)制，能量形成帶結(jié)構(gòu)，在其能流矢量S和波矢k相互垂直，即k·S=0的情況下，對應(yīng)著電磁波的群速和相速方向相互垂直。此時(shí)光子晶體中電磁波的等相位面（波前）被調(diào)制為一組平行于傳播（能流）方向的平面，其傳播方向垂直于能流S方向，指向波矢k方向。