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二维正方格子磁性光子晶体的带隙结构

物理学报 2005年第10期54卷 4770-4775页

作者：车明周云松王福合顾本源首都师范大学物理系北京100037 中国科学院物理研究所北京100080

采用平面波展开的方法计算了正方格子二维磁性光子晶体(MPC)的光子带隙结构.散射子的形状分别为长方形,正方形,六角形和圆形.通过调节磁导率,填充率和散射子的旋转角度,找到了MPC各种结构的最大的绝对带隙宽高比ωR.研究发现随着磁导率... 详细信息

采用平面波展开的方法计算了正方格子二维磁性光子晶体(MPC)的光子带隙结构.散射子的形状分别为长方形,正方形,六角形和圆形.通过调节磁导率,填充率和散射子的旋转角度,找到了MPC各种结构的最大的绝对带隙宽高比ωR.研究发现随着磁导率的增加,MPC绝对带隙中心频率ωg单调减小,绝对带隙宽度Δω和其宽高比ωR可能不同时达到最大值.而随着填充率或者散射子旋转角的增加,基本不改变ωg的大小,各种结构的Δω和ωR同时达到最大值.

关键词：磁性光子晶体光子带隙结构二维磁性光子晶体正方格子旋转角度平面波展开中心频率带隙宽度磁导率

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磁性光子晶体的边界态特性及其应用

磁性光子晶体的边界态特性及其应用

作者：杨艳南京大学

学位级别：硕士

磁性光子晶体的边界态是近几年关注的热点问题。具有电磁波单向传输特性的单向边界态已在微波段TM模式下的磁性光子晶体中被观测到。总体而言,这种单向边界态现象的形成机制有两种,即基于类电子量子霍尔效应的电磁手性边缘态和基于磁表... 详细信息

磁性光子晶体的边界态是近几年关注的热点问题。具有电磁波单向传输特性的单向边界态已在微波段TM模式下的磁性光子晶体中被观测到。总体而言,这种单向边界态现象的形成机制有两种,即基于类电子量子霍尔效应的电磁手性边缘态和基于磁表面等离极化激元的非互易传输,实现这种边界态需要打破时间反演对称性。这些边界态电磁模式具有奇异的性质,对传输路径中存在的缺陷、障碍以及金属散射体不敏感,会自动寻径保持在边界上的单向传输性质,可用于非互易器件的设计制作。慢波或慢光技术应用在下一代通信信息网络中,将有利于满足实际应用中大数据率、大吞吐量以及低损耗的需求。慢波系统中电磁波的群速度非常慢,此时背向散射在所有损耗机制中占统治地位,对慢波系统性能的影响极大。若将边界态对散射体免疫的性能引入到慢波系统中的话,将会对基于慢光的全光光信息处理系统产生重大而深远的意义。在前人工作的基础上,本文研究了微波段磁性光子晶体中的边界态特性,并利用手性边缘态构造了微波段的慢波波导,主要工作有： 1.提出并使用相移测量方法测量了两种单向边界态机制下磁性光子晶体单向边界模式的能带色散曲线。不管这些单向传输电磁波处于波导还是表面波模式,色散关系曲线的测量结果与理论计算的能带结果非常符合。该测量方法具有一般性,在能带计算较为复杂和困难的情况下,可作为一种替代方法用作单向边界态的研究。 2.给出了基于磁性光子晶体中类量子霍尔效应的电磁手性边缘态,设计和构造单向波导器件的一般过程。重点讨论了磁性光子晶体的晶格常数以及与金属限制层共同构成的波导通道宽度对单向传输性能的影响,结果显示：磁性光子晶体的晶格常数会明显影响单向波导的工作频率,而磁性光子晶体与金属限制层的距离则会影响波导中的传播模式,恰当的距离可使得波导单向传输性能较好且损耗较低。根据仿真结果实际制作了单向波导,实验验证了该波导在设计频段内具有对金属散射体不敏感的单向传输性能。 3.通过相移测量方法实际测量了单向波导的色散曲线,并由此得到了波导中电磁波的群速度;从理论和实验上证明了该单向波导也是慢波波导,在其中传输的电磁波的群速度比光速小一个量级。通过进一步调整波导结构,理论设计出了可以实现更慢群速度（约为0.0005c）的单向慢波波导,证明了该慢波波导具有对背向散射不敏感的性质,可用作电磁或光波段的慢波传输线。

关键词：磁性光子晶体时间反演对称性手性边缘态磁表面等离激元慢波

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磁性光子晶体单向波导实现光延迟的研究

磁性光子晶体单向波导实现光延迟的研究

作者：袁胜男江苏大学

学位级别：硕士

全光网络是下一代网络的发展方向。全光信号的处理依赖于光延迟、转换和存储光脉冲的能力。如何控制光波的传输速度在学术界掀起了一股研究热潮。光延迟技术在下一代网络中具有重要应用,是实现全光通信的一项关键技术。光子晶体具备结... 详细信息

全光网络是下一代网络的发展方向。全光信号的处理依赖于光延迟、转换和存储光脉冲的能力。如何控制光波的传输速度在学术界掀起了一股研究热潮。光延迟技术在下一代网络中具有重要应用,是实现全光通信的一项关键技术。光子晶体具备结构小、可控性高、损耗低以及特有的禁带结构等特点,在实现光延迟方面展现出了很大的优势。本文将光子晶体波导和光延迟技术相结合,利用两种不同的方式实现了光延迟,包括减小群速度和增加光波传输的距离。另外,研究金属—介质光子晶体的表面模式的耦合和演化规律,旨在为慢光波导的研究提供支持。论文主要工作如下:1.磁性光子晶体单向波导具有单向传播和抗干扰的属性,能够消除慢光波导的后向散射,实现低损耗传输。本文通过改变单向波导的结构,在磁性光子晶体单向波导的表面设置缺陷,用表面缺陷形成的慢光模式调制单向波导模式的色散。研究色散曲线模式属性,发现奇模比偶模更容易受到边界缺陷的调制。正是这种调制改变了奇模色散曲线的形状和群速度。因此通过改变单向波导两侧介质柱的位置来降低奇模的群速度,获得近零色散的单向慢光波导。2.将单向边界回路和单向空气波导两者相组合,通过延长光波的传输距离来实现光延迟。这是本文的创新点。对于单向空气波导,奇偶两种模式同时出现在相同的频率范围内,可以通过改变源的位置独立地激发一种模式。单向模式存在相长干涉和单向的特性,这使得单色电磁波能沿着矩形回路边界进行完美传输。通过时域仿真验证,看到光延迟效果非常显著。该复合波导的独特之处在于实现了光延迟、单向传输以及克服散射损耗等复合功能,且能够精确地通过改变矩形回路的数量和长度调制延迟时间。3.在六角蜂巢晶格的二维金属—介质光子晶体的基础上构造线缺陷波导,可以同时激发介质波导模式和等离子体波导模式。通过调节边缘介质柱的半径控制两种波导模式的激发和转化,并且观察比较这两种模式的群速度、色散以及抗干扰的能力。通过计算发现金属损耗对能带结构没有影响。等离子体波导模式相对于介质波导模式具有更强的拓扑保护特性,且群速度更小,其在研究慢光时存在更多优势,能为以后慢光波导的设计研究提供支持。

关键词：磁性光子晶体复合波导光延迟六角蜂巢晶格金属—介质光子晶体

磁性光子晶体在控制电磁波辐射和传播中的应用

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磁性光子晶体在控制电磁波辐射和传播中的应用

作者：肖超南京大学

学位级别：硕士

近年来,有关光子晶体非互易性的研究越来越引起人们的兴趣。磁性光子晶体在时间反演对称性被破缺后,波动方程的解可能以非成对的形式出现,当再引入空间反演对称性破缺,能带结构中会出现非对称,进而出现非互易的光学现象。它可用于设计... 详细信息

近年来,有关光子晶体非互易性的研究越来越引起人们的兴趣。磁性光子晶体在时间反演对称性被破缺后,波动方程的解可能以非成对的形式出现,当再引入空间反演对称性破缺,能带结构中会出现非对称,进而出现非互易的光学现象。它可用于设计如光二极管、隔离器、分路器等器件。如何构建非互易的磁性光子晶体结构以及将其应用到具体器件中是两个重要课题。探究改变光子晶体对称性的方法是实现非互易性的主要途径,克服磁性材料在损耗和小型化方面的固有缺点也是不能回避的问题。在前人工作的基础上,本文从仿真和实验的角度研究了磁性光子晶体在定向辐射和慢光系统方面的应用,并探究了硬磁光子晶体单向波导的物理机制,具体工作包括:1、探究了光子晶体元胞结构的对称性对能带边界的影响。用不同的方法改变光子晶体元胞的对称性,实现了从四波束到两波束,再到单波束的定向辐射,同时保持了较好的半功率波束宽度和定向性系数。使用一维圆周扫场实验验证了能带边界上的定向辐射性能。提出了一种结构单元由旋磁材料和普通介质材料拼合构成的光子晶体,使能带边界离开简约布里渊区的边界,实现了偏折出射的定向辐射。调控外加磁场和元胞方位角,可实现工作频率固定的二维定向扫描功能,扫描角达15.4°。2、提出一套基于FFT算法的测量MPC单向波导中能带曲线的方法。在实验中测量了一种单向波导中的色散关系,证明了该波导为慢光波导,波在波导中的群速度约为0.0066c。探究了元胞材料的磁损耗和电损耗对慢光的影响,提出了降低损耗的方法与准则,改进了波导边界的元胞结构,减少慢光衰减的同时,场局域性、慢光频段宽度和群速度色散方面均获得了较好的性能。3、利用硬磁材料构建了自偏置磁性光子晶体波导,测量发现在两个相邻频段内存在两个相反的单通模式。对结构进行二维扫场,确认两类单向波都属于边缘态,基于FFT算法给出了硬磁光子晶体12GHz-15GHz的能带曲线,确认了单通特性的机制是可类比电子系统中量子霍尔效应的电磁手性边缘态,对通道内的散射体不敏感,为构建硬磁材料的简明物理模型提供了基础。

关键词：磁性光子晶体时间反演对称性空间反演对称性定向辐射慢光自偏置硬磁材料

磁性光子晶体在控制定向辐射和电磁波传播中的应用

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磁性光子晶体在控制定向辐射和电磁波传播中的应用

作者：撒忠昊南京大学

学位级别：硕士

光子晶体是一种周期性人工结构,因其独特的能带结构及其所产生的奇异电磁现象而广受人们关注。磁性光子晶体是指由铁磁性材料构成的光子晶体,它除了具有普通光子晶体的性质之外还具有某些特殊的电磁特性,比如因磁共振而产生的负磁导率... 详细信息

光子晶体是一种周期性人工结构,因其独特的能带结构及其所产生的奇异电磁现象而广受人们关注。磁性光子晶体是指由铁磁性材料构成的光子晶体,它除了具有普通光子晶体的性质之外还具有某些特殊的电磁特性,比如因磁共振而产生的负磁导率、由负磁导率产生的磁表面等离激元以及负折射的特性、由时间反演对称性破缺导致的非互易性等等。近期,基于光子晶体的这些特性,一些新的应用如超透镜、电磁量子霍尔效应等也成为了研究热点。光子晶体可以改变电磁波的色散特性,拥有对电磁波传播的调控能力,因此光子晶体已经大量的应用于微波和光学工程,如天线,滤波器和耦合器。本文围绕磁性光子晶体对电磁波的辐射和传播的调控展开,着重研究了磁性光子晶体在电磁波定向辐射和电波传播中的应用,取得了以下的研究成果:1、研究了左手材料空心圆柱内的线源定向辐射工作机制,讨论了该结构内外边界的拓扑结构、线源位置、尺寸大小等众多因素对其性能的影响。利用了锶-硬磁铁氧体构成的左手材料设计并实现了该天线,并讨论了光子晶体的相关参数对天线性能的影响。实现的天线结构简单,性能良好。2、研究了微波波段磁性光子晶体的磁可调定向辐射特性。该结构由磁性光子晶体和嵌入在其中的线源构成,工作在磁性光子晶体的带隙边缘,表现出了良好的定向辐射特性和宽频带可调的特性。讨论了外加磁场以及晶格常数的变化对工作频率的影响。并通过对该光子晶体传输谱的分析,重新定义了光子晶体的带隙边缘。此外,也讨论了背景材料、晶格常数比值、光子晶体阵列尺寸等因素对该结构性能的影响。3、基于光学变换的原理,利用自偏置磁性光子晶体设计并实现了一种隐形门结构,该结构可以抑制特定频率电磁波的传播,同时允许其他频率电磁波的通过,其结构简单、易于实现、性能出色。该隐形门实验结果与仿真结果吻合,验证了其在特定频率下抑制电磁波的特性。

关键词：左手材料磁性光子晶体能带结构定向辐射隐形门

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基于磁性光子晶体的多端口环行器设计

半导体光电 2021年第5期42卷 652-655页

作者：伍振海李俊瞿鹏飞刘旭飞西南石油大学理学院成都610054 西南石油大学电气信息学院成都610054 重庆光电技术研究所重庆400060 重庆工商职业学院重庆400052

基于二维三角晶格和正方晶格光子晶体分别设计了六端口和八端口光子晶体环行器。环行器由硅介质柱光子晶体波导和铁氧体介质柱缺陷构成。所设计的六端口环行器每个波导连接处只有一个铁氧体材料,能够有效降低损耗;八端口环行器波导连接... 详细信息

基于二维三角晶格和正方晶格光子晶体分别设计了六端口和八端口光子晶体环行器。环行器由硅介质柱光子晶体波导和铁氧体介质柱缺陷构成。所设计的六端口环行器每个波导连接处只有一个铁氧体材料,能够有效降低损耗;八端口环行器波导连接处添加了多个铁氧体材料可有效提高隔离度。使用有限元法对电磁波在环行器中的传输进行了仿真验证。计算结果表明,六端口环行器各端口的隔离度达到22~38d B;八端口环行器各端口的隔离度达到21.7~40.5d B。设计的多端口环行器具有结构简单紧凑、隔离度高、损耗低的优点。

关键词：磁性光子晶体铁氧体环行器隔离度

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基于磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器

压电与声光 2014年第1期36卷 58-61页

作者：顾艳伍瑞新南京大学电子科学与工程学院江苏南京210093

提出了一种基于磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器。仿真计算和实验测量结果表明,该滤波器矩形系数好,插入损耗小,带外抑制高且带内平坦。研制的中心频率为10.75 GHz的通带滤波器,带宽达1.3GHz,通带内插入损耗小于5dB,带外抑制50dB以... 详细信息

提出了一种基于磁性光子晶体的高性能微波带通滤波器。仿真计算和实验测量结果表明,该滤波器矩形系数好,插入损耗小,带外抑制高且带内平坦。研制的中心频率为10.75 GHz的通带滤波器,带宽达1.3GHz,通带内插入损耗小于5dB,带外抑制50dB以上。改变磁性圆柱的半径或磁性光子晶体的晶格常数可设计出工作在不同频段,具有不同带宽的微波滤波器。

关键词：磁性光子晶体带通滤波器矩形系数带外抑制插入损耗

应用平面波展开法计算色散和各向异性二维磁性光子晶体的带隙

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南京大学学报（自然科学版） 2008年第4期44卷 401-407页

作者：蒋爱敏伍瑞新徐杰南京大学电子科学与工程系南京210093

磁性光子晶体因其构成材料磁导率不为1且受外加磁场调节,近年来被广泛讨论,对磁性光子晶体能带的计算也随之成为热点.本文首度研究了由色散且各向异性材料构成的二维磁性光子晶体能带的计算方法,从Maxwell方程组推导出具有复杂电磁参数... 详细信息

磁性光子晶体因其构成材料磁导率不为1且受外加磁场调节,近年来被广泛讨论,对磁性光子晶体能带的计算也随之成为热点.本文首度研究了由色散且各向异性材料构成的二维磁性光子晶体能带的计算方法,从Maxwell方程组推导出具有复杂电磁参数的周期结构能带计算的本征方程,对经典的平面波展开直接求特征值法做出改进,利用寻根方法计算出由Mg-Mn铁氧体圆柱和有机玻璃构成的三角格子二维磁性光子晶体在外加磁场下TM模式的能带结构.计算得到的带隙位置与相同结构的光子晶体全波仿真的传输谱相一致,与实际制备的磁性光子晶体样品的实验测量结果也相当吻合,证明了改进的平面波展开法在色散和各向异性材料构成的光子晶体能带计算中准确性和可靠性,进而肯定了平面波展开法在任意电磁参数特性的光子晶体能带结构计算中的适用性.

关键词：磁性光子晶体三角格子平面波展开法能带结构

一维磁性光子晶体增强的法拉第旋光效应研究进展

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材料导报 2013年第3期27卷 127-132页

作者：朱瑞华吴春雷刘凤举祝强牡丹江师范学院理学院超硬材料重点实验室牡丹江157012

简要报道了一维磁性光子晶体增强的法拉第旋光效应的理论与实验研究。总结了缺陷、空腔、带边、表面态等在一维光子晶体内引起的局域模式,说明了增强的法拉第旋光效应与局域模式之间的关系。介绍了增强的法拉第旋光效应在光学器件功能... 详细信息

简要报道了一维磁性光子晶体增强的法拉第旋光效应的理论与实验研究。总结了缺陷、空腔、带边、表面态等在一维光子晶体内引起的局域模式,说明了增强的法拉第旋光效应与局域模式之间的关系。介绍了增强的法拉第旋光效应在光学器件功能单元中的应用。

关键词：增强的法拉第旋光效应磁性光子晶体局域模式