一 維 磁 控 光 子 晶 體

王光懷,張曉茹,潘 慶,閆 璐,劉曉靜,楊涪銓,任明麗,丁雪梅,苗 暢,郭義慶

(1.吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院,吉林 四平 136000;2.中國科學(xué)院 高能物理研究所,北京 100049)

光子晶體[1-2]是一種折射率在波長量級上呈周期性變化的介質(zhì)[3]材料,為介質(zhì)參數(shù)不同且在空間周期性排列的人工微結(jié)構(gòu).當(dāng)光子晶體中有電磁波通過時,光子晶體內(nèi)周期有序排列結(jié)構(gòu)使其發(fā)生Bragg散射,光子晶體能帶分裂,出現(xiàn)光子帶隙,類似半導(dǎo)體材料中電子的能帶結(jié)構(gòu)[4-8].當(dāng)光子晶體帶隙的頻率與電磁波頻率相同時,電磁波被晶體反射出現(xiàn)禁帶.在光子晶體中引入點缺陷,缺陷處可形成量子化束縛態(tài),當(dāng)電磁波的頻率與束縛態(tài)頻率相同時,發(fā)生共振,可使光通過禁帶.在光子晶體中加入功能性材料(如磁性材料),可使光子晶體產(chǎn)生新的特性，磁性材料分為旋電材料和旋磁材料[9-11]兩種類型,利用旋磁材料可制備許多器件,利用旋電材料和一維光子晶體結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)非互易傳輸,進而設(shè)計光學(xué)隔離器[12-15].

本文用電磁場理論給出含旋磁材料的一維光子晶體傳輸矩陣的透射率公式,并在此基礎(chǔ)上研究外加磁場發(fā)生變化時,旋磁材料對透射特性的影響.結(jié)果表明：隨著外加磁場強度的變化,缺陷模的數(shù)目、位置以及缺陷模的光譜寬度均發(fā)生變化,禁帶寬度基本不變.因此,可通過改變外加磁場強度實現(xiàn)光子晶體透射的可調(diào)節(jié)性.

1 模型和理論公式

圖1 含磁性介質(zhì)的一維光子晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 One-dimensional photonic crystal structure with magnetic medium

含磁性介質(zhì)的一維光子晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中一維層狀結(jié)構(gòu)的材料沿z軸放置,材料的性質(zhì)與坐標(biāo)x,y無關(guān)(理想情況).由于磁性材料B=μμ0H,當(dāng)μ≠1時為磁性介質(zhì),當(dāng)μ=1時為非磁性介質(zhì),因此,當(dāng)外加磁場沿y方向時,旋磁材料的相對磁導(dǎo)率可表示為

(1)

下面推導(dǎo)含旋磁材料的一維光子晶體傳輸矩陣的透射率.對于橫電(TE)波,波矢k在xoz面,電場E沿y方向,由于H⊥E⊥k,因此H在xoz面,則電場E和磁場H可表示為

Ey0=Ey0exp{i(kxx+kzz-ωt)}ey,

(2)

H(x,z)=Hx0exp{i(kxx+kzz-ωt)}ex+Hz0exp{i(kxx+kzz-ωt)}ez=Hxex+Hzez,

(3)

由

可得

(4)

即

Bx=μ0(μHx-iΔHz),

(5)

Bz=μ0(iΔHx+μHz).

(6)

由Maxwell方程可得

(7)

矩陣形式為

(8)

由方程(5)～(8)得

-kzEy=ωBx=ωμ0(μHx-iΔHz),

(9)

kxEy=ωBz=ωμ0(iΔHx+μHz),

(10)

由式(9),(10)解得

(11)

(12)

由

(13)

可得

(14)

將式(11),(12)代入式(14)可得

將方程(15)化簡為

(16)

令

其中n′為等效折射率.可得

(17)

則式(17)可變?yōu)?/p>

(18)

從而可得

(19)

由式(19)可得電場Ey沿z正反方向傳播,其表達(dá)式為

(20)

將式(20)代入式(11)可得

令

則式(21)變?yōu)?/p>

(22)

在第i和第j層界面上,電場和磁場滿足切向分量連續(xù):

(23)

Hxi=Hyj.

(24)

將式(22)代入式(24)可得

(25)

式(23),(25)的矩陣形式為

(26)

令

則式(26)變?yōu)?/p>

(27)

其中

即

式(29)為電磁波從第i層介質(zhì)傳到第j層介質(zhì)界面過渡層的過渡矩陣.用序數(shù)n表示第n層介質(zhì),序數(shù)0表示空氣介質(zhì),則輸入和輸出的電磁場關(guān)系可用矩陣表示為

其中

(31)

(32)

2 數(shù)值分析

缺陷介質(zhì)D的厚度dd=60 nm,當(dāng)外加磁場為0時,D層為常規(guī)介質(zhì),其參數(shù)為折射率nD=3.87；當(dāng)介質(zhì)D外加磁場Hb=0.2 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-1[16],此時介質(zhì)D為旋磁材料,可計算在正入射(kx=0)條件下的透射譜,如圖2所示.由圖2(A)可見,禁帶為0.7～1.27,在ω/ω0=0.91處有一個尖銳峰,該峰為透射率接近1的缺陷模,具有較強的透射性.由圖2(B)可見,禁帶為0.72～1.23,缺陷模消失.因此,當(dāng)外磁場H0=0.2 A/m時,禁帶寬度基本不變、缺陷模消失.

圖2 結(jié)構(gòu)為(AB)nD(BA)n的一維光子晶體透射率曲線Fig.2 Transmittance curves of one-dimensional photonic crystal with (AB)nD(BA)n structure

不同外加磁場下結(jié)構(gòu)為(AB)nD(BA)n的一維光子晶體透射率曲線如圖3所示.當(dāng)介質(zhì)層D外加磁場Ha=0.2 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-1[16]；當(dāng)介質(zhì)層D外加磁場強度Hb=0.16 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.5和Δ=-3[16]；當(dāng)介質(zhì)D外加磁場強度Hc=0.04 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-2[16].由圖3(A)可見,禁帶為0.72～1.23,無缺陷模.由圖3(B)可見,禁帶為0.7～1.3,且在ω/ω0=1.2處出現(xiàn)透射率接近1的缺陷模.由圖3(C)可見,禁帶為0.7～1.3,且在ω/ω0=0.8處出現(xiàn)透射率接近1的缺陷模.因此,當(dāng)改變外加磁場時,禁帶范圍基本不變,缺陷模位置發(fā)生移動,且缺陷模的數(shù)目發(fā)生改變,當(dāng)磁場強度減弱時,缺陷模的位置右移.

圖3 不同外加磁場下結(jié)構(gòu)為(AB)nD(BA)n的一維光子晶體透射率曲線Fig.3 Transmittance curves of one-dimensional photonic crystal with (AB)nD(BA)n structure under different external magnetic fields

不同外加磁場下結(jié)構(gòu)為(AB)nDF(BA)n的一維光子晶體透射率曲線如圖4所示,其中D和F為旋磁介質(zhì).介質(zhì)A和B的參數(shù)不變,介質(zhì)D和F的厚度均為d=90 nm.當(dāng)介質(zhì)D外加磁場強度Had=0.04 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-2.3[16],當(dāng)介質(zhì)F外加磁場強度Haf=0.12 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-2[16]；當(dāng)介質(zhì)D外加磁場強度Hbd=0.04 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-2.3[16];當(dāng)介質(zhì)F外加磁場強度Hbf=0.12 A/m時,其參數(shù)為μ=-0.1和Δ=-2[16].由圖4(A)可見,禁帶為0.7～1.28,無缺陷模.由圖4(B)可見,禁帶為0.7～1.3,在ω/ω0=0.82,1.19處出現(xiàn)兩個缺陷模,且ω/ω0=0.82低于ω/ω0=1.19處峰值強度.因此,當(dāng)改變旋磁材料D和F層外加磁場強度時,禁帶范圍基本不變,缺陷模的數(shù)目和峰值強度均發(fā)生改變.即通過改變外加磁場強度可實現(xiàn)光子晶體透射的可調(diào)節(jié)性.

圖4 不同外加磁場下結(jié)構(gòu)為(AB)nDF(BA)n的一維光子晶體透射率曲線Fig.4 Transmittance curves of one-dimensional photonic crystal with (AB)nDF(BA)n structure under different external magnetic fields

不同外加磁場下對缺陷模光譜寬度的影響如圖5所示.由圖5可見: 當(dāng)Hb=0時,缺陷模的光譜寬度為0.01;當(dāng)Hb=0.04 A/m時,缺陷模的光譜寬度為0.003;當(dāng)Hb=0.16 A/m時,缺陷模的光譜寬度為0.005.因此,通過改變外加磁場強度的大小,即可改變?nèi)毕菽５墓庾V寬度.

圖5 不同外加磁場下對缺陷模光譜寬度的影響Fig.5 Effects of different external magnetic fields on spectral width of defect modes

綜上,本文用電磁場理論給出了含旋磁材料的一維光子晶體傳輸矩陣的透射率公式,并通過計算分析了當(dāng)外加磁場發(fā)生變化時,旋磁材料對透射特性的影響.結(jié)果表明,當(dāng)改變外加磁場時,透射率曲線發(fā)生變化,缺陷?？僧a(chǎn)生和消失,且缺陷模的位置和光譜寬度均發(fā)生變化,禁帶寬度基本不變.因此,通過改變外加磁場強度可實現(xiàn)光子晶體透射的可調(diào)節(jié)性.