磁性光子晶体非互易传输特性研究

发布时间：2017-04-02 01:11

  本文关键词：磁性光子晶体非互易传输特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来为了应对信息传输、处理和存储日益苛刻的要求,光子晶体技术逐渐成为研究热点。磁性光子晶体除具有一般介质光子晶体的主要特征外,还具有磁共振、磁表面等离激元、时间反演对称性破缺以及由此引起的非互易性等,因此备受关注。本论文围绕磁性光子晶体中表面波的单向传播和一维磁性光子晶体导致的电磁波的空间非互易传播两条主线进行了研究,通过理论计算、仿真模拟和实验验证等取得以下主要几个方面的研究成果：(1)针对磁性光子晶体中存在的两种不同单向边缘态,即电磁手性边缘态(CESs)和磁表面等离激元(MSP),全面地讨论了光子晶体的结构(如归一化半径、晶格常数、材料特性等参数)和偏置磁场对单向边缘态频带宽度的调控作用,并进行了相关的实验验证；讨论了磁性光子晶体界面形态等对单向边缘态的影响,指出了蜂窝结构磁性光子晶体的Beardbed界面与Zigzag界面一样也可支持CESs和MSP两种单向边缘态。这些工作为磁性光子晶体单向波导设计奠定了基础。(2)为进一步拓展磁性光子晶体单向传输带宽,提出了通过将CESs和MSP两种单向边缘态频带融合以实现宽带单向传输的方法。讨论了CESs和MSP两种单向边缘态频带融合的机制,发现单向边缘态的融合与界面类型相关,指出了具有Zigzag边界的磁性光子晶体可以直接实现两种单向传输频带的融合而形成一个完整的单向传输频带,而在Beardbed界面虽然也有两种单向传输频带但由于二者之间存在带隙所以无法实现融合。(3)研究了单向传输频带融合的实现方法,提出了一种有效抑制磁性光子晶体中CESs和MSP两种单向边缘态之间出现体模的方法,即通过引入周期性空位缺陷抑制体模从而可以在不增大磁场的情况下实现二者融合。采用这种方法不但能够改善已融合后单向频带内的单向传输特性,而且可以解决在某些限制条件下两个单向频带之间体模频带较宽而无法直接实现融合的困难,能够在更一般的条件下实现不同机制单向边缘态的融合。我们通过实验验证了这一方法的有效性,实现了不同归一化半径时单向传输频带的融合。(4)研究了一维磁性光子晶体链中的单向表面态,提出了两种链式结构(Zigzag链和直线链)的磁性光子晶体实现的宽带单向波导,它具有结构简单、带宽宽、可调控、可设计、抗弯折、可柔性排布的特点。研究表明其单向传输本质为基于磁表面等离激元的单向边缘态。通过能带计算、传输仿真以及实验验证了这两种链式结构磁性光子晶体中单向表面态的存在及其宽带单向传输特性。系统讨论了偏置磁场和结构参数等对这种结构单向传输特性的影响。(5)研究了一维磁性光子晶体导致的电磁波的空间非互易传播特性,入射波以某一角度入射时在某一偏置状态时会全反射,而在相反的偏置状态时则会发生透射,且透射沿着负折射方向。用光栅高阶衍射的模型解释了空间非互易的全反射和负折射出现的机制,指出了其反射主要是由0阶衍射导致而负折射由-1阶衍射导致。设计制备了两种一维磁性光子晶体分别具有单磁柱结构和复式结构,在实验上验证了电磁波的空间非互易传播和负折射的特性。(6)研究了链式结构一维磁性光子晶体作为非互易器件在微波领域的潜在应用,如小型化柔性延迟线、隔离器和具有隔离功能的可调滤波器等。基于一维磁性光子晶体的空间非互易传播特性,提出了一种结构更为简单、具有良好前反向隔离度的电磁二极管。
【关键词】：磁性光子晶体(MPC) 边缘态 非互易传输 铁氧体
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O734
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-12
• 第一章 绪论12-47
• 1.1. 光子晶体12-22
• 1.1.1. 光子晶体的概念12-13
• 1.1.2. 光子晶体的特征与类型13-15
• 1.1.3. 光子晶体的能带结构15-16
• 1.1.4. 光子晶体的理论研究方法16-20
• 1.1.5. 光子晶体的制备及应用20-22
• 1.1.6. 光子晶体的研究趋势22
• 1.2. 磁性光子晶体22-35
• 1.2.1. 磁性材料22-23
• 1.2.2. 旋磁材料与磁性光子晶体23-28
• 1.2.3. 体系的对称性与互易性28
• 1.2.4. 基于边缘态电磁波的单向传输28-34
• 1.2.5. 基于体模式电磁波的单向传输34-35
• 1.3. 研究背景、意义与结构安排35-39
• 1.3.1. 研究背景与意义35-37
• 1.3.2. 本论文的结构安排37-39
• 参考文献39-47
• 第二章 单向传输频带的调控性能47-80
• 2.1. 引言47-48
• 2.2. 铁磁材料及其光子晶体的电磁特性48-61
• 2.2.1. 张量磁导率的产生48-49
• 2.2.2. 铁氧体中电磁波的传输特性49-51
• 2.2.3. 本论文所采用的铁氧体材料51-53
• 2.2.4. 磁性光子晶体的能带特征53-61
• 2.3. 磁性光子晶体单向边缘态调控61-75
• 2.3.1. 调控机制62-63
• 2.3.2. 磁场对单向边缘态的调控63-65
• 2.3.3. 结构参数对单向边缘态的调控65-68
• 2.3.4. 材料特性对单向边缘态的影响68-69
• 2.3.5. 界面类型对单向边缘态的影响69-71
• 2.3.6. 边界特征对单向边缘态的影响71-74
• 2.3.7. 转角对单向传输特性的影响74-75
• 2.4. 边缘态与体模75-77
• 本章小结77-78
• 参考文献78-80
• 第三章 基于MSP与CES单向传输频带的融合80-98
• 3.1. 引言80
• 3.2. MSP与CES单向传输频带融合80-92
• 3.2.1. 直接实现融合82-84
• 3.2.2. 抑制体模实现融合84-86
• 3.2.3. 界面类型对单向传输频带融合的影响86-89
• 3.2.4. 单向传输频带融合后的抗缺陷性89-92
• 3.3. MSP与CES单向传输频带融合的实验验证92-96
• 3.3.1. 实验装置92
• 3.3.2. 直接实现单向频带融合92-94
• 3.3.3. 抑制体模实现单向频带融合94-96
• 本章小结96-97
• 参考文献97-98
• 第四章 宽带链式磁性光子晶体的传输特性98-120
• 4.1. 引言98
• 4.2. Zigzag MPC链传输特性与实验研究98-107
• 4.2.1. 不同层数MPC能带99-100
• 4.2.2. Zigzag链的能带与传输特性100-101
• 4.2.3. Zigzag链传输特性调控的实验研究101-107
• 4.3. 直线链式MPC的传输特性与实验研究107-114
• 4.3.1. 直链的能带与传输特性107-108
• 4.3.2. 直链传输特性的实验验证108
• 4.3.3. 直链传输特性调控的实验研究108-112
• 4.3.4. 异形直链112-114
• 4.4. 链式MPC的应用114-117
• 4.4.1. 螺旋型延迟线114-115
• 4.4.2. SIW型隔离器115-117
• 4.4.3. 可调滤波器117
• 本章小结117-119
• 参考文献119-120
• 第五章 一维MPC对电磁波的空间非互易传播120-143
• 5.1. 引言120-121
• 5.2. 介质柱阵列的波束偏转121-122
• 5.3. 磁性介质柱的谐振态122-124
• 5.3.1. 单磁柱122-123
• 5.3.2. 离散化的磁柱123-124
• 5.4. 一维磁性光子晶体的波束偏转124-132
• 5.4.1. 单磁柱一维磁性光子晶体的波束偏转124-128
• 5.4.2. 复式结构一维磁性光子晶体的波束偏转128-132
• 5.5. 一维磁性光子晶体波束偏转的实验验证132-136
• 5.5.1. 实验装置132-133
• 5.5.2. 单磁柱一维磁性光子晶体实验133-135
• 5.5.3. 复式结构一维磁性光子晶体实验135-136
• 5.6. 基于一维磁性光子晶体的电磁波单向传输136-140
• 5.6.1. 光子晶体实现电磁波单向传输136-138
• 5.6.2. 基于非互易光栅的电磁波单向传输138-140
• 本章小结140-141
• 参考文献141-143
• 第六章 总结与展望143-146
• 6.1. 总结143-145
• 6.2. 展望145-146
• 攻读博士学位期间研究成果146-148
• 致谢148-149

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