一维石墨烯磁光光子晶体的传输特性研究

发布时间：2020-09-21 14:55

　　近年来,磁光光子晶体引起了人们的广泛关注。由磁光效应引起的材料介电张量或磁导率张量的变化能打破光子晶体的时间反演对称性,可以实现电磁波的非互易性传播。基于磁光光子晶体的非互易性器件由于其具有高集成度、高稳定性、高隔离性及高响应速度等优点被广泛应用于光通信、光学集成芯片等领域。另外,在一维光子晶体结构中使用具有低损耗和外部可调光学参数的石墨烯材料可以实现对光子能带的动态控制,极大扩展光子晶体的应用。石墨烯对电磁波入射角不敏感,分层的石墨烯结构能够实现全向禁带。石墨烯光子晶体因其独有的特性成为当前研究的热点。本论文的研究工作主要包含以下几个方面:针对传统光子器件只有单个非互易通道的缺点,设计了一种含缺陷层一维磁光光子晶体。由于结构的非对称性,在缺陷层两侧外加磁场的方向相同或相反时均能实现电磁波的非互易性传输。分析了缺陷层厚度与非互易通道数之间的关系,在缺陷层厚度为4400μm时,实现6个非互易多通道传输。研究了电磁波入射角的变化对结构传输特性的影响,在入射角为65°左右时,正反两个方向透射谱中缺陷模频率差值最大。构建了一种一维石墨烯磁光光子晶体结构(AGBG)~ND(AGBG)~N,该结构含SiO_2介质层A、石墨烯层G、YIG层B和空气缺陷层D。实现了布拉格禁带中缺陷模式的单向性,相比普通磁光光子晶体,结构所需的周期数要小。研究发现石墨烯化学势对光子能带的影响较大,非互易通道随着石墨烯化学势的增大向高频方向移动,可以通过施加栅极电压改变石墨烯化学势实现对结构非互易传输特性的动态控制。提出了一种结构简单的一维石墨烯磁光光子晶体结构(BG)~ND(BG)~N。该结构仅含石墨烯层G、YIG层B和空气缺陷层D。在周期数N=2时,结构能实现石墨烯诱导禁带中缺陷模式中的单向性,并有接近100%的透射率;同时,在石墨烯诱导禁带和布拉格禁带间获得宽的光子导带,随着周期数的增大,光子导带分裂。分析了石墨烯化学势对光子导带的影响,增大石墨烯化学势,导带之间会形成新的禁带。结构可用来实现非互易或多通道的光子器件如磁光隔离器、多通道滤波器等。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O734
【部分图文】：

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美国贝尔实验室的 E.Yablonovitch[1]和普林斯顿大学的 S. John[2]教授在分别研究如何抑制自发辐射和光子局域性时得到了几乎相同的结论，即周期性分布的介电材料结构会对特定频率的光产生局域作用并控制光子的运动，“光子晶体”的概念应运而生。所谓光子晶体(Photonic crystals, PCs)就是材料折射率在空间上呈现周期性变化的一种人工微结构，光子禁带和光局域性是其最显著的两个特性。当电磁波的波长与光子晶体的晶格常数为同一量级时，其传输会受到光子晶体的调制作用，使结构形成类似于电子能带的光子能带(Photonic Bands)。在光子能带之间存在的带隙称之为光子带隙，也就是光子禁带(Photonic BandGaps, PBGs)[3, 4]，频率在光子禁带内的电磁波无法通过光子晶体。光子晶体周期性的破坏称为光子晶体的缺陷，缺陷可能会破坏光子晶体的禁带，导致禁带频率范围内的部分电磁波能够通过光子晶体，利用光子晶体的缺陷可以控制光的传输或者局域光[5]。

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成熟的技术容易地构建。一维光子晶体一直受到科研工作者的关注光通信系统的元器件中，如反射器[7]、隔离器[8]、滤波器[9]等。维光子晶体结构在两个维度上呈现周期性[4,10]，通常由平行排列的柱组成，常见的二维光子晶体晶格类型有三角晶格、矩形晶格、正六边晶格等。一般情况下，三角形晶格和六边形晶格二维光子晶体宽。二维光子晶体在光纤、光子晶体波导、半导体激光器等领域均，其高非线性、低损耗、宽带宽和独特的色散关系等特性为信息相提供了优越的平台。维光子晶体在三个相互垂直的空间方向上均为周期性结构，且在三在光子禁带和光子带隙等特性[11]，能实现的功能更加全面。但是的制备相对比较困难，在实际中的应用相对较少。尽管人工制备晶体却存在于自然界中，如蛋白石、蝴蝶的翅膀、孔雀的羽毛等，如

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一维石墨烯磁光光子晶体的传输特性研究下产生各向异性的电磁特性，如磁导率、介电常数、磁化强度生改变，电磁波在磁光材料中传播时受到外磁场的影响会产生其中包括法拉第效应、克尔效应、塞曼效应、磁致双折射效第效应科学家法拉第于 1845 年在实验中发现平面偏振光通过磁光材光传播方向的磁场作用，其偏振面发生一定角度的旋转，如大小与磁场强度、材料属性等有关。法拉第效应结合光学偏振的单向传输。基于法拉第旋转效应的器件被广泛应用于光学、，是光通讯领域的核心元器件之一。

【参考文献】