[发明专利]基于光子晶体实现电磁波相位不变传输的方法

说明书

技术领域

本发明属于光通讯、光电子技术领域，涉及一种电磁波相位不变传输的方法。

背景技术

光子晶体指的是一种介电常数在空间周期变化(其介电常数一般要求有较高对比度)的新型光学微结构材料，与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子晶体能够调制具有相应波长的电磁波。光子晶体的出现为人类提供了一种控制光和电磁波运动行为的全新手段。

电磁波的相位在通过具有二相性或多向性的材料时会发生偏转，从而产生相位的延后现象称为相位延迟，并随着在电磁波在不同介电材料中传播距离的不同而在0～2π间连续变化。如何使电磁波能通过人造媒介，从A点无任何相变地传播到B点，好像该传播媒介完全在空气中消失一样，让光子芯片能携带信息而又实现信号的同相传递，在光通讯和光电子技术领域都是重大的进步，将具有十分深远的影响。

最近美国哥伦比亚大学瑟尔达·可卡曼研究小组利用蚀刻方法制备出具有负折射性质的人造亚波长的光子晶体结构，并将其与一个折射率为正的媒介串联在一起，通过对电磁波相位的精确控制，最终得到的组合纳米结构表现得好似其折射率为零的材料，从而在红外线波段实现了同相传递，该研究发表于“Fundamental optical physics：The quest for zero refractive index”Nature Photonics 5，499-505(2011)。我们知道自然界所有已知材料的折射率均为正，在传递过程中必然会产生相位延迟，为保证相位不变，在该研究中利用具有负折射性质的光子晶体材料对变化的相位进行补偿，事实上，传递过程中相位变化并不是真正为零，而是在正、负值之间交替变化，最终得到同相位的出射光。由此，可想而知，这种有效折射率为零的组合纳米结构对制备工艺的要求也是非常严格的，不但要制备在固定频段具有负折射性质的亚波长的光子晶体结构，还要精确控制电磁波在正负折射率材料中通过距离的比例，否则很难保证相位变化真正为零，从而造成该组合材料的制备方法不但成本太高，而且难于推广。由于这种方法只能在小规模、窄频带上实现电磁波的同相位传输，从而限制了其实际应用。因此，寻找一种能够真正实现电磁波同相位传输的有效方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光子晶体实现电磁波相位不变传输的方法。本发明利用光子晶体的空间结构决定其能带结构和等频线(面)分布的性质，通过对光子晶体结构参数和介电性质的调制，使处于特定波长的电磁波在光子晶体中以波矢与能流方向相互垂直的模式进行传播，从而在真正意义上实现了电磁波的相位不变传输。

由于光子晶体的等频率线(面)的分布会随着晶体空间结构(包括晶格大小、形状、占空比及空间群对称性)和介电性质的改变而发生变化，从而导致电磁波传输性质也随之变化，所以我们可以通过对光子晶体材料空间结构和介电性质的调制来实现对电磁波传输性质的调控。当光在光子晶体中传播时，由于布拉格散射而受到调制，能量形成带结构，频率处于某些导带内的电磁波在传播时可能出现三种状态。第一种是通常情况下的电磁波的空间相位随传播距离的增大而逐渐增大，即能流矢量S和波矢k的点乘值大于0，即S·k＞0(电磁波的传播方向就是其能流方向，与群速方向相同，波矢垂直于等相位面，并指向相速方向)；第二种情况是电磁波的空间相位随传播距离的增大而逐渐减小，即S·k＜0，该性质可以作为判断媒质是否为左手性材料的依据；还有在通常情况下不容易实现的第三种情况，即S·k＝0的情况，这时电磁波的能流矢量S和波矢k相互垂直，对应着电磁波的群速和相速方向相互垂直。

众所周知，电磁波的平面波波函数可以表示为

式中A为振幅，k为波矢，r为电磁波的空间传播矢量，其方向与能流矢量S同相，k·r为空间相位因子，反应相位的空间分布；ωt为时间相位因子，与场点坐标无关；为初相位。

当电磁波的传播性质满足第三种情况S·k＝0时，可知公式(1)中空间相位因子k·r＝0，即在空域范围，电磁波沿传播方向上的任意空间位置的相位变化为零，对应着电磁波的等相位面与其传输方向平行，从而可以实现电磁波沿传播方向的相位不变传输。