专利名称：利用人工电磁介质的光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用人工电磁介质的光波导器件，属于光通信技术领域，可通 过减小光波(电磁波)的能量传播速度实现光延迟和光存储等技术，对未来实现全光分组 交换网络和大容量光信息存储有重要意义和应用价值。
背景技术：
光波导在通信领域中具有很大的应用前景。其传输原理是利用不同折射率的介 质分界面上光波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。常用光波导 有光纤、薄膜波导、带状波导等不同种类，可用于信号传输、制作耦合器、延迟器、分 配器等。通信技术的快速发展对光波导的功能提出的更高的要求。
发明内容
发明目的本发明提供一种可实现光延迟与光存储功能的光波导，该波导为两 层介质圆柱波导结构，可降低光波的能量传播速度，实现光延迟，并且可使不同波长的 光波停滞于波导内的不同位置，实现不同波长光信号的分离存储功能。技术方案本发明所述的利用人工电磁介质的光波导，为普通介质圆柱外包裹 一定厚度的非磁性人工电磁介质构成的圆柱介质波导。人工电磁介质中有一类具有负介 电常数或负折射率的特性，在满足一定参数条件的情况下，该波导内电磁波色散曲线不 同于普通介质波导，存在简并的正向波和反向波模式。光波的能量传播速度(群速度)在 简并点附近非常小，在简并点处则为零。将波导中心圆柱设计为半径渐变的椎体结构， 光波从直径较大一端向直径较小的一端传输，随着中心圆柱半径的减小，光波能量速度 逐渐趋于零，即光波越传越慢，从而实现光延迟功能。当光波行至中心圆柱半径等于简 并点半径处，光能量被挤压并停滞于该点，因此可实现能量和信息存储功能，并可衍生 能量耦合等其他功能。由于不同波长所对应的简并点半径不同，因此它们在波导内停留 的位置也不同，从而可分离不同波长信号，提高信息存储效率。人工电磁介质的制作和实现方式多种多样，电磁参数通过结构设计可人工调 控。以多层二氧化硅-银薄膜结构为例，调整二氧化硅薄片与银薄片的厚度比，可制备 出在光波段相对介电常数从-0.1变化至-10的人工电磁介质。另外，金属等自然物质在 一定波长下也表现出负介电常数特性，例如在光波段，银的介电常数为负值。因此，可 通过人工调控的方法，设计制备出可用于实现本发明所提出波导结构的人工电磁介质。本发明的光波导要求人工电磁介质的切向相对介电常数与普通介质的相对介电 常数的比值大于-0.2，由此设计的光波导能够实现慢光延迟现象。根据工作波长即可确 定光波在波导中停滞时对应的波导直径，该直径必须介于所设计的光波导较大直径与较 小直径之间。根据此规则设计出的光波导即可实现慢光延迟与光信息存储功能。有益效果本发明利用人工电磁介质制作光波导，可实现光延迟与光信息存储 功能，且能分离不同波长的光波；该光波导结构方式简单，便于实现和操作。
图1是本发明的光波导结构图。图2是本发明的光波导纵向剖视图。图3是使用电磁波仿真软件获取的本发明光波导中电场幅值分布纵向剖视图。图4是本发明中涉及的利用二氧化硅_银薄膜多层结构组成的光波导结构图。图5是用电磁波仿真软件获取的图4所示波导中的电场幅值分布纵向剖视图。图6是本发明中涉及的利用银和普通介质组成的光波导结构图。图7是用电磁波仿真软件获取的图6所示波导中的电场幅值分布纵向剖视图。图中1.光信号入射端，2.人工电磁介质，3.普通介质，4.光信号出射端。在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。实施例1 :参照图1 3，普通介质(3)为空气，人工电磁介质(2)切向介电常 数为-0.10，径向介电常数为-0.30，波导长度为38.0μιη，切向圆直径为5.0μιη，入射 端(1)处普通介质(3)的切向圆直径为1.0 μ m，出射端(4)处普通介质的切向圆直径为 0.5 μ m。上述波导的性能经过OptiFDTD电磁全波仿真软件仿真验证。中心波长为500nm 的光波包由入射端(1)进入该光波导，传播速度随中心圆柱直径减小逐渐减慢，波包的 空间分布被压缩，最终停留在普通介质(3)切向圆直径为0.706μιη的位置处，距入射端 22.400 μ m。非500nm中心波长的波包则无法在此处停留，例如波长为700nm的光波包 进入该光波导后将会停留在切向圆直径为0.988 μ m的位置处。调节波导的长度可以改变 波包在其中的传播延时，在特定位置设定耦合装置则可以提取出所需信号。实施例2:参照图4 5，普通介质(3)为二氧化硅，介电常数为3.90，人工 电磁介质(2)为多层二氧化硅-银薄片，二氧化硅与银的厚度比为1 3，入射波长为 354nm,其等效切向介电常数为-0.528，纵向介电常数为-3.207。波导长度为8.5μιη，切 向圆直径为1.2 μ m，入射端(1)处普通介质(3)的切向圆直径为0.320 μ m，出射端(4)处 普通介质的切向圆直径为0.220 μ m。中心波长为354nm的光波包由入射端(1)进入该光 波导后最终停留在普通介质(3)切向圆直径为0.268 μ m的位置处，距入射端4.460 μ m。实施例3 参照图6 7，普通介质(3)为二氧化钛，介电常数为19.0，人工电 磁介质(2)为金属银，介电常数为-1.481，入射波长为344nm。波导长度为ΙΟ.Ομιη， 切向圆直径为0.660 μ m，入射端(1)处普通介质(3)的切向圆直径为0.164 μ m，出射 端⑷处普通介质的切向圆直径为0.098 μ m。中心波长为344nm的光波包由入射端(1) 进入该光波导后最终停留在普通介质(3)切向圆直径为0.106μιη的位置处，距入射端 3.160 μ m。
权利要求
1.一种利用人工电磁介质的光波导，其特征是该光波导为普通介质(3)圆柱外包裹一 定厚度的人工电磁介质(2)的圆柱介质波导，中心圆柱为半径渐变的椎体结构，光波从 直径较大一端向直径较小的一端传输。
2.根据权利要求1所述的利用人工电磁介质的光波导，其特征是人工电磁介质(2)的 切向相对介电常数与普通介质的相对介电常数比值大于-0.2，可用多层二氧化硅-银薄膜 制备，或利用银在光波段介电常数为负值的特性制备。
3.根据权利要求1所述的利用人工电磁介质的光波导，其特征是中心圆柱锥体结构的 直径变化范围必须包含确定工作波长的光波在波导中停滞时对应的波导直径。
全文摘要
本发明涉及一种利用人工电磁介质的光波导器件。该波导为一段普通介质圆柱外包裹一定厚度的人工电磁介质，形成圆柱介质波导结构，中心圆柱为半径渐变的椎体结构，光波(电磁波)由较宽端入射。利用人工电磁介质所具备的负折射率或负介电常数特性，该波导可降低光波能量传播的速度(群速度)，实现慢光传播甚至光停滞。这种光波导结构可应用于实现光信号的延迟与信息存储。不同波长的光波信号在波导内停滞的位置不同，从而可分离不同波长的信号，提高信息存储效率。
文档编号G02B6/10GK102012537SQ20101026635
公开日2011年4月13日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者冯一军, 姜田, 张奇 申请人:南京大学