[发明专利]一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法

说明书

一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法，负折射率波导快光器件包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件，入射光从所述芯层的一侧入射，从所述芯层的另一侧出射。本发明利用类狄拉克点附近频率可使光子晶体的有效折射率为负的特性，通过控制入射光的频率和芯层厚度，实现包层的负折射率，并使得光在芯层中具有负群速度，以及反向传播的行为。

技术领域

本发明涉及微结构光子晶体元件，特别涉及基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法。

背景技术

光子晶体是一种不同介质在空间呈周期性分布的人工合成的材料，由于其晶格常数和工作波长在一个数量级上，基于光子晶体的快光器件更易于实现高度集成化，适应光电集成的发展趋势。

波导器件在光通信系统中扮演着重要角色，为了避免光束在介质中传输时，由于介质的吸收和散射而引起损耗，绕射而引起发散，导致光束中心部分的强度不断地衰减，保证光束在传播过程中能量在纵向上受到限制，使得光束能够集中在芯层中传输，并且损耗和噪声降到最小，因此波导器件是必不可少的。目前，负折射率波导可由有效介电常数ε_eff以及有效磁导率μ_eff为负的左手材料(LHMs)构成(Taya S A,Qadoura I M.Guided modesin slab waveguides with negative index cladding and substrate[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2013,124(13):1431-1436.)，而且负折射率波导可以实现反常色散现象，进而导致快光现象(即负群速度)(Zhang Y,Zhang X,Wang Y,et al.Reversible Fano resonance by transition from fast lightto slow light in a coupled-resonator-induced transparency structure[J].Opticsexpress,2013,21(7):8570-8586.)。近年来，通过控制快光的群速度，便可实现光脉冲(Lezama A,Akulshin A M,Sidorov A I,et al.Storage and retrieval of lightpulses in atomic media with“slow”and“fast”light[J].Physical Review A,2006,73(3):033806.)，传播纠缠态的量子相互信息(Clark J B,Glasser R T,Glorieux Q,etal.Quantum mutual information of an entangled state propagating through afast-light medium[J].Nature Photonics,2014,8(7):515.)等。但是由于材料的有效介电常数ε_eff和有效磁导率μ_eff在通常情况下为特定值，因此构成的负折射率波导功能较为局限，在实际应用中不是很便利。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件及设计方法，通过控制入射光的频率，实现反常色散现象和光的反向传播。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明一种基于类狄拉克点的负折射率波导快光器件，包括由设置在硅板上的多个三角晶格光子晶体组成的具有负折射率的上包层和下包层；还包括设置在所述上包层和下包层之间的以硅为介质组成的芯层；所述上包层和下包层的上边界、下边界、左边界和右边界为散射边界条件，入射光从所述芯层的一侧入射，从所述芯层的另一侧出射。

优选的，所述三角晶格光子晶体为空心空气介质柱，形成三角晶格核-壳光子晶体结构。