本發(fā)明涉及光子晶體單向體波傳輸技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁光子晶體單向體波傳輸方法。

背景技術(shù)：

在光學(xué)中，空間反轉(zhuǎn)對(duì)稱性與時(shí)間反演對(duì)稱性相互作用限制了波矢k的物理特性。為了出現(xiàn)顯著的非互易的傳輸，當(dāng)空間、時(shí)間反演對(duì)稱性同時(shí)被破缺的時(shí)候，非互易光子晶體中即可以產(chǎn)生單通的現(xiàn)象，即ω(k)≠ω(-k)，k、-k表示一對(duì)相對(duì)傳輸?shù)牟ㄊ?。例如旋磁性光子晶體在外加飽和磁場(chǎng)作用下，磁導(dǎo)率的斜對(duì)角項(xiàng)具有虛部，使得時(shí)間反演對(duì)稱性破缺，產(chǎn)生了單向邊界態(tài)。另外可以通過(guò)破缺基元的空間對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)了體波的非互易傳輸。

蜂窩結(jié)構(gòu)在拓?fù)浣^緣體方面引起了廣泛關(guān)注。但是基于蜂窩結(jié)構(gòu)依靠同時(shí)破缺空間、時(shí)間對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的體波非互易性傳輸研究較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)解決的技術(shù)問(wèn)題

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁光子晶體單向體波傳輸方法，解決了利用蜂窩結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)體波非互易傳輸方面的問(wèn)題。目前，基于蜂窩結(jié)構(gòu)依靠同時(shí)破缺空間、時(shí)間對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的體波非互易性傳輸研究較少。

(二)技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁光子晶體單向體波傳輸方法，包括如下步驟：

s1:選取蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁性光子晶體點(diǎn)陣，所述蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁性光子晶體點(diǎn)陣包括兩個(gè)交錯(cuò)的三角形晶格；

s2:利用交錯(cuò)晶格中不同的柱體大小實(shí)現(xiàn)空間對(duì)稱性破缺；

s3：對(duì)柱體施加偏置磁場(chǎng)，利用外加偏置磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺。

優(yōu)選的，所述時(shí)間反演對(duì)稱性破缺，通過(guò)沿鐵氧體柱體軸向飽和磁化，鐵氧體磁導(dǎo)率變成張量形式，通過(guò)張量磁導(dǎo)率的斜對(duì)角項(xiàng)的虛部來(lái)破缺系統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱性。

優(yōu)選的，兩個(gè)三角形晶格反向交錯(cuò)設(shè)置。

優(yōu)選的，兩個(gè)三角形晶格的晶格常數(shù)相等。

優(yōu)選的，兩個(gè)三角形晶格中不同的鐵氧體柱通過(guò)a和b標(biāo)注，半徑ra≠rb。

(三)有益效果

本發(fā)明具備以下有益效果：該蜂窩結(jié)構(gòu)的旋磁光子晶體單向體波傳輸方法，通過(guò)二維蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的旋磁性光子晶體內(nèi)交錯(cuò)晶格中的不同的柱體大小實(shí)現(xiàn)空間對(duì)稱性破缺，并通過(guò)應(yīng)用外加偏置磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺，從而解決了旋磁光子晶體單向體波的非互易特性傳輸，整個(gè)傳輸過(guò)程較為穩(wěn)定，非互易特性傳輸?shù)娜肷浣嵌容^寬。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中釔鐵石榴石(yig)鐵氧體柱構(gòu)成的蜂窩點(diǎn)陣光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中旋磁性光子晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中在外加偏置磁場(chǎng)900oe的單向群速度的能量傳輸仿真圖；

圖3為本發(fā)明中旋磁性光子晶體第一布里淵區(qū)的等頻圖；

圖5為本發(fā)明中沿γm方向偏移+/-30°角度入射的傳輸參數(shù)測(cè)量圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，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(16kjb51004)、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)明提供一種技術(shù)方案：一種蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁光子晶體單向體波傳輸方法，包括如下步驟：

發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁光子晶體單向體波傳輸方法，包括如下步驟：

s1:選取蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁性光子晶體點(diǎn)陣，所述蜂窩結(jié)構(gòu)旋磁性光子晶體點(diǎn)陣包括兩個(gè)交錯(cuò)的三角形晶格，兩個(gè)三角形晶格反向交錯(cuò)設(shè)置，兩個(gè)三角形晶格的晶格常數(shù)相等，兩個(gè)三角形晶格中不同的鐵氧體柱通過(guò)a和b標(biāo)注，半徑ra≠rb；

s2:利用交錯(cuò)晶格中不同的柱體大小實(shí)現(xiàn)空間對(duì)稱性破缺；

s3：對(duì)柱體施加偏置磁場(chǎng)，利用外加偏置磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺。所述時(shí)間反演對(duì)稱性破缺，通過(guò)沿鐵氧體柱體軸向飽和磁化，鐵氧體的磁導(dǎo)率變成張量形式，通過(guò)張量磁導(dǎo)率的斜對(duì)角項(xiàng)的虛部來(lái)破缺系統(tǒng)的時(shí)間反演對(duì)稱性。

參閱圖1，在蜂窩結(jié)構(gòu)的旋磁性光子晶體中，兩個(gè)反向交錯(cuò)的三角形晶格中鐵氧體柱的橫向界面半徑標(biāo)注為a和b，為了破缺蜂窩結(jié)構(gòu)的空間對(duì)稱性，使柱a、柱b的半徑不同，半徑分別為ra＝0.2a、rb＝0.13a。交錯(cuò)的三角形點(diǎn)陣的晶格常數(shù)相同，晶格常數(shù)為10mm。

參閱圖2，通過(guò)有限元方法計(jì)算了不可約布里淵區(qū)以及關(guān)于γ點(diǎn)對(duì)稱的區(qū)域的能帶特性。0.45(2πc/a)附近的能帶在γm、γm’方向是基本對(duì)稱的，但是k所對(duì)應(yīng)其它能帶是比較明顯不對(duì)稱的。深色區(qū)域?qū)?yīng)的能帶在k正向區(qū)域有個(gè)明顯的凹形，k負(fù)向區(qū)域沒(méi)有凹形對(duì)應(yīng)的頻率，這意味著該頻率區(qū)域能帶是非互易的，系統(tǒng)在該頻率區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)單向體波傳輸。

參閱圖3，該等頻圖能較清晰的反映光子晶體內(nèi)體波的單向傳輸原理。在頻率0.441(2πc/a)-0.493(2πc/a)之間存在一個(gè)凹形區(qū)域，在等頻圖上頻率0.493(2πc/a)-0.504(2πc/a)之間存在一個(gè)凸形區(qū)域，這些區(qū)域相對(duì)于y軸是不對(duì)稱的。我們通過(guò)一個(gè)例子進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明，如頻率為0.473(2πc/a)的電磁波相對(duì)于y軸+/-30°入射到光子晶體陣列的情況。30°入射是指從左下向右上入射時(shí)與y軸的夾角，以kair表示。反向入射波束用k’air表示。白色的圓、曲線分別表示空氣、光子晶體中的0.473(2πc/a)等頻曲線。kair，k’air都與空氣對(duì)應(yīng)的白色等頻率圓存在交叉點(diǎn)，經(jīng)過(guò)該點(diǎn)向x軸做垂直線段，可以發(fā)現(xiàn)kair方向會(huì)與光子晶體對(duì)應(yīng)的0.473(2πc/a)等頻線有交叉點(diǎn)，在該交叉點(diǎn)做等頻曲線的法向分量，以vg標(biāo)示，vg為光子晶體內(nèi)部波束傳輸?shù)娜核俣?。在頻率0.473(2πc/a)以30°入射到光子晶體與空氣的交界面上時(shí)，存在折射波束。當(dāng)頻率0.473(2πc/a)以-30°入射到光子晶體與空氣的交界面上時(shí)，而k’air方向與光子晶體的0.473(2πc/a)等頻線是沒(méi)有交叉點(diǎn)的，即僅僅存在反射波束，不能在光子晶體內(nèi)部傳輸。同理，我們可以在該等頻圖中觀察到存在較大范圍的單向的頻率區(qū)域，特別對(duì)于0.481(2πc/a)，它的單向入射角度可以接近0°-60°。

參閱圖4，為了驗(yàn)證上面根據(jù)等頻圖實(shí)現(xiàn)單向傳輸?shù)恼_性，我們仿真了該結(jié)構(gòu)的光子晶體陣列的能量傳輸，如圖(a)所示，入射為寬度8a的平面波束，光子晶體陣列的縱向厚度為16層，當(dāng)入射頻率0.473(2πc/a)以-30°入射到光子晶體與空氣的交界面上時(shí)，能量波束發(fā)生負(fù)折射，這與圖2所示vg的所示方向是一致的，經(jīng)過(guò)光子晶體陣列負(fù)折射入射到空氣中，能量在較少損耗的情況下實(shí)現(xiàn)能量傳輸，另外，在0.473(2πc/a)的等頻曲線的彎曲度接近0，可認(rèn)為在光子晶體陣列傳輸?shù)牟ㄊ欠茄苌涞模醋詼?zhǔn)直傳輸，傳輸時(shí)能量波束在光子晶體陣列中基本沒(méi)有出現(xiàn)光束的衍射。(b)仿真了上方右側(cè)-30°入射的情況，入射波束被完全反射回來(lái)了。(c)和(d)是關(guān)于(a)和(b)的對(duì)稱情況仿真，也具有類(lèi)似單向體波模式傳輸特性。

參閱圖5，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行傳輸譜測(cè)量，鐵氧體采用商用yig材料，圓柱高度為10mm，其它參數(shù)與上述仿真相同，柱體陣列被吸波材料包圍，探針固定在陣列的上下金屬蓋板兩側(cè)用于測(cè)試陣列的傳輸?shù)膕參數(shù)，圖4給出了測(cè)試結(jié)果，圖中13.3-14.79ghz(對(duì)應(yīng)于0.443(2πc/a)-0.493(2πc/a)))(灰色區(qū)域)范圍中s21與s12有較大的差異，相差大約15db，較好的表明光子晶體具有單方向傳輸特性，前向傳輸參數(shù)s12大于后向傳輸參數(shù)s21，在13.2ghz處具有最大的差異，大約23db，中心相對(duì)帶寬約為6.5％。

該蜂窩結(jié)構(gòu)的旋磁光子晶體單向體波傳輸方法，通過(guò)二維蜂窩點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的旋磁性光子晶體內(nèi)交錯(cuò)晶格中的不同的柱體大小實(shí)現(xiàn)空間對(duì)稱性破缺，并通過(guò)應(yīng)用外加偏置磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺，從而解決了旋磁光子晶體單向體波的非互易特性傳輸，整個(gè)傳輸過(guò)程較為穩(wěn)定，非互易特性傳輸?shù)娜肷浣嵌容^寬。

需要說(shuō)明的是，在本文中，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。