一种宽通道单向波导

1.本发明涉及光子晶体与光子器件领域，涉及一种单向电磁波传输的光子晶体结构，可实现电磁波的宽通道，低损耗单向传播。


背景技术：

2.互易性是电磁学的一个基本原理。然而，在诸如分束器和光纤之类的光学器件中，人们希望电磁波沿单一方向传播并尽量减少背向散射。目前实现电磁波单向传输的方法有很多，包括利用磁性表面等离子体、非线性增益或损耗、微腔波导耦合和拓扑边界态等。尽管这些方法各具优势，但存在结构复杂、制造成本高、集成难度大、抗干扰能力弱，传输通道范围有限且均匀度不高等问题，阻碍了非互易光学器件的发展。
3.为了解决上述不足，本发明设计了一种宽通道单向波导。该波导基于三角点阵介质柱阵列，利用金属畴壁诱导的手性体态来实现电磁波宽通道单向传播，具有结构简单，传输通道宽，抗弯曲损耗等优势。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单，传输通道宽，抗弯曲损耗的宽通道单向波导。
5.技术方案：本发明的一种宽通道单向波导，包括介质柱阵列、平行板波导和金属畴壁，所述介质柱阵列为由圆形介质柱按三角点阵排列组成的半无限准二维结构，介质柱阵列的上下两面为金属畴壁，第一行和最后一行介质柱由沿中轴线对半切分的半圆介质柱构成，并在切割平面放置金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均放置于平行板波导之间；介质柱阵列的两行介质柱之间设有可产生左旋/右旋极化的电磁激励源。
6.具体实施例时，所述介质柱阵列至少设置四排介质柱。
7.作为优选，所述介质柱阵列中介质柱为陶瓷圆柱。
8.作为优选，介质柱阵列满足晶格平移对称性，介质柱阵列结构的晶格常数a，高度h＝0.625a，介质柱的半径r＝0.1a。
9.作为优选，所述电磁激励源放置在中间一行介质柱的上方或下方。
10.作为优选，所述电磁激励源是由四个相位相差的点源构成的可产生具有左旋/右旋极化电磁波的激励源。
11.本发明提出的宽通道微波单向波导设计，金属畴壁禁止介质柱阵列中具有法向分量的电磁波(在体模式中表现为偶对称性)传播，允许具有径向分量的电磁波(在体模式中表现为奇对称性)传播。针对具有不同能流涡旋方向的电磁波在介质柱阵列中沿不同通道传播的特性，可利用左旋(右旋)极化激励源选择性激发不同传播方向的宽通道单向波导。
12.有益效果：与现有技术相比，本发明提出的宽通道单向波导构造简单，可实现电磁波宽通道传输。由于受到谷自由度的保护，电磁波传输可无视弱无序或弯曲，对制造精度要求不高，适配于各类集成光子器件。由于介质柱阵列具有尺度不变性，可通过直接改变几何
尺寸将工作频率移植到太赫兹波段或者光波段，具有广泛的普适性。
附图说明
13.图1是本发明实施例的三维模型结构示意图。
14.图2是本发明实施例的介质柱阵列示意图，由四个相位相差的点源构成的激励源放置在阵列中心。
15.图3是与图2对应的光子投影能带图，其中虚线为金属畴壁诱导的手性体态能带。
16.图4是本发明实施例在左旋极化激励源下电场分布图，电磁波向+x方向单向传播。
17.图5是本发明实施例在右旋极化激励源下电场分布图，电磁波向-x方向单向传播。
18.图6是图4中沿
±
x方向电磁波坡印亭矢量积分与频率的关系图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明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。
20.本发明实施例公开了一种宽通道单向波导，包括介质柱阵列1、平行板波导2和金属畴壁3，其中，介质柱阵列为由介质柱三角点阵组成的半无限准二维结构。介质柱阵列的上下两面为金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均设置于两个平行板波导之间。平行板波导为金属铝板；金属畴壁为金属铝条，尺寸为300mm
×
30mm
×
10mm；介质柱为陶瓷柱，主要成分为氧化铝，相对介电常数为12.4。
21.如图1所示，本发明实施例提出的宽通道微波单向波导设计基于二维三角点阵介质柱阵列。介质柱阵列由介电常数12.4，半径r＝0.1a，高h＝0.625a的陶瓷柱按三角点阵排列而成，晶格常数为a(本例中a＝16mm)。沿y方向，介质柱阵列在y＝0mm和平面终止于金属畴壁。介质柱阵列沿y方向长度为沿x方向无限延展。介质柱行数增加会导致宽通道单向波导工作频率范围缓慢减小。
22.如图2所示，介质柱阵列主体部分由完整介质柱排列构成，上下边缘由半圆介质柱构成。电磁波激励源4放置在两行介质柱中间，由四个相位相差的点源构成。当点源相位按顺序逆(顺)时针变化，激励源产生具有左(右)旋极化特性的电磁波。
23.图3为图2所示的介质柱阵列对应的光子投影能带图。虚线代表由金属畴壁诱导产生的手性体能带。手性体能带连接价带和导带，并在布里渊区高对称点k和k’处斜率符号相反，代表手性体模式在k和k’点具有相反的群速度方向。k和k’代表介质柱阵列中不同的电磁波传播通道。金属畴壁禁止具有法向分量的电磁波(在体模式中表现为偶对称性)传播，仅允许具有径向分量的电磁波(在体模式中表现为奇对称性)传播。由于谷间散射可忽略不计，与电磁波在传统谷拓扑绝缘体中沿材料边缘传播类似，电磁波在介质柱阵列中传播具有单向性和鲁棒性。此外，对比电磁波在传统拓扑材料中只能沿狭小的边界传播，本发明提出的宽通道单向波导结构允许电磁波沿介质柱阵列主体部分传播而不仅局限于边界，极大地拓宽了传输通道。
24.图4展示了在本发明所提出的宽通道微波单向波导设计中，左旋极化激励源产生的电磁波激发起k谷对应的电磁波传输通道，沿+x方向单向传输。
25.图5展示了在本发明所提出的宽通道微波单向波导设计中，右旋极化激励源产生的电磁波激发起k’谷对应的电磁波传输通道，沿-x方向单向传输。
26.图6展示了在左旋极化激励源下沿
±
x方向电磁波坡印亭矢量积分和频率的关系。电磁波沿+x方向能流强度显著高于沿-x方向，体现了在本发明所提出的宽通道单向波导中，电磁波的传输具有良好的单向性。
27.由于介质柱阵列具有尺度不变性，可通过直接改变几何尺寸将工作频率移植到太赫兹波段或者光波段等。
28.以上所述，仅为本发明的优选实施例，由于介质柱阵列具有尺度不变性，可通过直接改变几何尺寸将工作频率移植到太赫兹或者可见光等波段。


技术特征：
1.一种宽通道单向波导，其特征在于，包括介质柱阵列、平行板波导和金属畴壁，所述介质柱阵列为由圆形介质柱按三角点阵排列组成的半无限准二维结构，介质柱阵列的上下两面为金属畴壁，第一行和最后一行介质柱由沿中轴线对半切分的半圆介质柱构成，并在切割平面放置金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均放置于平行板波导之间；介质柱阵列的两行介质柱之间设有可产生左旋/右旋极化的电磁激励源。2.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，所述介质柱阵列至少设置四排介质柱。3.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，介质柱为陶瓷圆柱。4.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，介质柱阵列满足晶格平移对称性。5.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，所述电磁激励源放置在中间一行介质柱的上方或下方。6.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，所述电磁激励源是由四个相位相差的点源构成的可产生具有左旋/右旋极化电磁波的激励源。7.根据权利要求1-6任一项所述的宽通道单向波导，其特征在于，金属畴壁禁止介质柱阵列中具有法向分量的电磁波传输，仅允许电磁波沿径向的传播。8.根据权利要求7所述的宽通道单向波导，其特征在于，金属畴壁抑制体态中的偶模式，仅保留奇模式；在奇模式仅允许具有径向分量的电磁波传播，具有法向分量的电磁波被禁止传播。9.根据权利要求8所述的宽通道单向波导，其特征在于，介质柱阵列中电磁波具有两个不同的传输通道，不同传输通道允许具有不同能流涡旋的电磁波沿单一方向传播。

技术总结
本发明公开了一种宽通道单向波导，包括介质柱阵列、平行板波导和金属畴壁，所述介质柱阵列为由圆形介质柱按三角点阵排列组成的半无限准二维结构，介质柱阵列的上下两面为金属畴壁，第一行和最后一行介质柱由沿中轴线对半切分的半圆介质柱构成，并在切割平面放置金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均放置于平行板波导之间；介质柱阵列的两行介质柱之间设有可产生左旋/右旋极化的电磁激励源。该宽通道单向波导设计通过金属畴壁诱导手性体传输模式来实现电磁波宽通道单向传输。本发明提出的宽通道单向波导具有原理简单、结构紧凑、传输通道宽、电磁损耗小、可通过尺度不变性改变几何尺寸移植到光波段等优点。寸移植到光波段等优点。寸移植到光波段等优点。


技术研发人员：蒲殷 梁力 李飞飞 张潇 范龙臻
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/10/5