一种宽通道单向波导

本发明涉及光子晶体与光子器件领域，涉及一种单向电磁波传输的光子晶体结构，可实现电磁波的宽通道，低损耗单向传播。

背景技术：

1、互易性是电磁学的一个基本原理。然而，在诸如分束器和光纤之类的光学器件中，人们希望电磁波沿单一方向传播并尽量减少背向散射。目前实现电磁波单向传输的方法有很多，包括利用磁性表面等离子体、非线性增益或损耗、微腔波导耦合和拓扑边界态等。尽管这些方法各具优势，但存在结构复杂、制造成本高、集成难度大、抗干扰能力弱，传输通道范围有限且均匀度不高等问题，阻碍了非互易光学器件的发展。

2、为了解决上述不足，本发明设计了一种宽通道单向波导。该波导基于三角点阵介质柱阵列，利用金属畴壁诱导的手性体态来实现电磁波宽通道单向传播，具有结构简单，传输通道宽，抗弯曲损耗等优势。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单，传输通道宽，抗弯曲损耗的宽通道单向波导。

2、技术方案：本发明的一种宽通道单向波导，包括介质柱阵列、平行板波导和金属畴壁，所述介质柱阵列为由圆形介质柱按三角点阵排列组成的半无限准二维结构，介质柱阵列的上下两面为金属畴壁，第一行和最后一行介质柱由沿中轴线对半切分的半圆介质柱构成，并在切割平面放置金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均放置于平行板波导之间；介质柱阵列的两行介质柱之间设有可产生左旋/右旋极化的电磁激励源。

3、具体实施例时，所述介质柱阵列至少设置四排介质柱。

4、作为优选，所述介质柱阵列中介质柱为陶瓷圆柱。

5、作为优选，介质柱阵列满足晶格平移对称性，介质柱阵列结构的晶格常数a，高度h＝0.625a，介质柱的半径r＝0.1a。

6、作为优选，所述电磁激励源放置在中间一行介质柱的上方或下方。

7、作为优选，所述电磁激励源是由四个相位相差的点源构成的可产生具有左旋/右旋极化电磁波的激励源。

8、本发明提出的宽通道微波单向波导设计，金属畴壁禁止介质柱阵列中具有法向分量的电磁波(在体模式中表现为偶对称性)传播，允许具有径向分量的电磁波(在体模式中表现为奇对称性)传播。针对具有不同能流涡旋方向的电磁波在介质柱阵列中沿不同通道传播的特性，可利用左旋(右旋)极化激励源选择性激发不同传播方向的宽通道单向波导。

9、有益效果：与现有技术相比，本发明提出的宽通道单向波导构造简单，可实现电磁波宽通道传输。由于受到谷自由度的保护，电磁波传输可无视弱无序或弯曲，对制造精度要求不高，适配于各类集成光子器件。由于介质柱阵列具有尺度不变性，可通过直接改变几何尺寸将工作频率移植到太赫兹波段或者光波段，具有广泛的普适性。

技术特征：

1.一种宽通道单向波导，其特征在于，包括介质柱阵列、平行板波导和金属畴壁，所述介质柱阵列为由圆形介质柱按三角点阵排列组成的半无限准二维结构，介质柱阵列的上下两面为金属畴壁，第一行和最后一行介质柱由沿中轴线对半切分的半圆介质柱构成，并在切割平面放置金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均放置于平行板波导之间；介质柱阵列的两行介质柱之间设有可产生左旋/右旋极化的电磁激励源。

2.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，所述介质柱阵列至少设置四排介质柱。

3.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，介质柱为陶瓷圆柱。

4.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，介质柱阵列满足晶格平移对称性。

5.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，所述电磁激励源放置在中间一行介质柱的上方或下方。

6.根据权利要求1所述的宽通道单向波导，其特征在于，所述电磁激励源是由四个相位相差的点源构成的可产生具有左旋/右旋极化电磁波的激励源。

7.根据权利要求1-6任一项所述的宽通道单向波导，其特征在于，金属畴壁禁止介质柱阵列中具有法向分量的电磁波传输，仅允许电磁波沿径向的传播。

8.根据权利要求7所述的宽通道单向波导，其特征在于，金属畴壁抑制体态中的偶模式，仅保留奇模式；在奇模式仅允许具有径向分量的电磁波传播，具有法向分量的电磁波被禁止传播。

9.根据权利要求8所述的宽通道单向波导，其特征在于，介质柱阵列中电磁波具有两个不同的传输通道，不同传输通道允许具有不同能流涡旋的电磁波沿单一方向传播。

技术总结
本发明公开了一种宽通道单向波导，包括介质柱阵列、平行板波导和金属畴壁，所述介质柱阵列为由圆形介质柱按三角点阵排列组成的半无限准二维结构，介质柱阵列的上下两面为金属畴壁，第一行和最后一行介质柱由沿中轴线对半切分的半圆介质柱构成，并在切割平面放置金属畴壁；介质柱阵列和金属畴壁均放置于平行板波导之间；介质柱阵列的两行介质柱之间设有可产生左旋/右旋极化的电磁激励源。该宽通道单向波导设计通过金属畴壁诱导手性体传输模式来实现电磁波宽通道单向传输。本发明提出的宽通道单向波导具有原理简单、结构紧凑、传输通道宽、电磁损耗小、可通过尺度不变性改变几何尺寸移植到光波段等优点。

技术研发人员：蒲殷,梁力,李飞飞,张潇,范龙臻
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15