实现相干完美吸收激光点的PT对称RS光子晶体结构的制作方法

实现相干完美吸收激光点的pt对称rs光子晶体结构
技术领域
1.本发明属于激光器技术领域，涉及一种实现相干完美吸收激光点的pt对称rs光子晶体结构。


背景技术：

2.激光器在各技术领域有着广泛地应用，例如，在全光通信中，发射端的光源多采用的是半导体激光器；在光纤通信的链路中，对信号的中继，需要用到光纤放大器；在医学领域，需要用到特定波长的光纤激光器。
3.激光器的核心部件是光放大器，常见的光放大器有半导体光放大器和掺杂光纤光放大器。掺杂离子的半导体或光纤在泵浦源的作用下，将基态上的电子抽运到激发态上，从而实现离子数反转。实现离子数反转的介质叫激活介质。激活介质受激发射，从而实现对信号的放大。在半导体光放大器的端面上涂覆反射层，一端涂全反射膜，另一端涂半反射膜。当光强达到一定强度时，受激发射出激光。泵浦源为半导体和掺杂光纤提供增益所需的能量。
4.传统观点认为增益有用，而损耗不仅没用，且还有害，故在光学系统中应该尽量降低损耗。然而近期研究表明，电介质中的损耗可以引发很多奇异的光学效应，如光学定向隐身、相位突变和电场局域性等。
5.在光子晶体中，当电介质中存在增益和损耗(或只有增益，或只有损耗)时，系统就和外界存在能量交换，则系统是非厄米的。此时电介质的折射率可以写成n＝nr ini，其中nr为折射率的实部，ni为折射率的虚部，字母i表示虚数单位。调制折射率的实部和虚部，使得其在空间上满足条件：n(z)＝n*(
–
z)，其中 z为位置坐标，则说该结构满足pt(parity-time：宇称-时间)对称。研究表明，在满足pt对称的光子晶体中，可以得到相干完美吸收激光点(coherent-perfect-absorption-laser point：cpa-lp)，该点为反射率和透射率的极大值点，该特性可被应用于光放大器和激光器。
6.激光器是利用谐振腔的共振来受激发射，相对于周期性光子晶体，准周期光子晶体(也叫准光子晶体)中存在更多的缺陷腔和透射模，而且其缺陷腔对电场的局域性更强，即共振性更强。因此，可以考虑将pt对称性和准光子晶体结合起来，实现光放大能力更强的激光器，或缩减激光器的结构尺寸。另外，还可以通过改变pt对称准光子晶体中的增益-损耗系数和光的入射角度，来灵活地调控相干完美吸收激光点的波长。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种实现相干完美吸收激光点的pt对称rs光子晶体结构，本发明所要解决的技术问题是如何得到反射率和透射率都为极大值的相干完美吸收激光点。
8.本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种实现相干完美吸收激光点的pt(parity-time：宇称-时间)对称rs (rudin-shapiro：鲁丁-夏皮诺)光子晶体结构，其特征
在于，包括两个rs光子晶体，所述rs光子晶体表示为：hhhlhhlh，其中字母h、l分别表示两种折射率高、低不同的第一电介质层和第二电介质层，两个rs光子晶体形成关于中心原点对称分布结构，通过调制第一电介质层和第二电介质层的折射率，使光子晶体结构满足pt对称分布，即折射率满足条件n(z)＝n*(
–
z)，其中z为位置坐标；整个结构可以表示成：hhhlhhlhh'l'h'h'l'h'h'h'。
9.进一步的，所述第一电介质层的基质材料为二氧化硅，第二电介质层的基质材料为硅。
10.进一步的，本实现相干完美吸收激光点的pt对称rs光子晶体结构的相干完美吸收激光点的位置通过光波入射角调控。
11.将两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片，按序号n＝3的 rs(rudin-shapiro：鲁丁-夏皮诺)光子晶体依次堆叠，形成关于原点对称的rs光子晶体；再调制结构中的增益-损耗因子，使其满足pt对称性，其折射率满足n(z)＝n*(
–
z)，即电介质折射率的实部关于原点偶对称，而虚部关于原点奇对称。改变结构的增益-损耗因子和入射波长，在参数空间中，可以得到反射率和透射率都为极大值的相干完美吸收激光点 (coherent-perfect-absorption-laser point：cpa-lp)。相对于周期性光子晶体，该结构中得到的cpa-lp的最大透射率可高达106量级。在增益-损耗因子和归一化频率组成的参数空间中，cpa-lp 的位置还可以通过光波入射角来灵活地调控，同时该放大器尺寸只有微米量级，故可被运用于制作微小尺寸的光放大器和激光器。
附图说明
12.图1是满足pt对称的rs光子晶体结构。
13.图2(a)是左入射透射率随增益-损耗因子和归一化频率的变化关系(光波从左边垂直入射θ＝0
°
)；图2(b)是增益-损耗因子 q＝6.67时对应的左入射透射谱(光波从左边垂直入射θ＝0
°
)；图 2(c)是左入射反射率随增益-损耗因子和归一化频率的变化关系 (光波从左边垂直入射θ＝0
°
)；图2(d)是增益-损耗因子q＝6.67时对应的左入射反射谱(光波从左边垂直入射θ＝0
°
)。
14.图3(a)是右入射透射率随增益-损耗因子和归一化频率的变化关系(光波从右边垂直入射θ＝0
°
)；图3(b)是增益-损耗因子q＝6.67时对应的右入射透射谱(光波从右边垂直入射θ＝0
°
)；图 3(c)是右入射反射率随增益-损耗因子和归一化频率的变化关系 (光波从右边垂直入射θ＝0
°
)；图3(d)是增益-损耗因子q＝6.67时对应的右入射反射谱(光波从右边垂直入射θ＝0
°
)。
15.图4(a)是入射角θ＝40
°
时透射率随增益-损耗因子和归一化频率的变化关系；图4(b)是不同入射角对应的cpa-lp在参数空间的位置变化关系；图4(c)是cpa-lp对应的增益-损耗因子q随入射角的变化关系；图4(d)是cpa-lp对应的归一化频率随入射角的变化关系。
16.图中，h、h'第一电介质层；l、l'第二电介质层。
具体实施方式
17.以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
18.数学上，rs(rudin-shapiro：鲁丁-夏皮诺)序列的迭代规则为：s0＝h，s1＝hh，s2＝hhhl，s3＝hhhlhhlh，
……
， sn＝s
n-1
(hh
→
hhhl，hl
→
hhlh，lh
→
llhl，ll
→
lllh)，
……
，其中n(n＝0，1，2，3，
……
)表示序列的序号，sn表示序列的第n项，hh
→
hhhl表示将s
n-1
中的hh替换成hhhl。
19.图1给出的是序列序号n＝3的pt(parity-time：宇称-时间) 对称rs光子晶体结构示意图。序列序号n＝3的rs光子晶体可以表示成：hhhlhhlh，其中字母h、l分别表示两种折射率高、低不同的均匀电介质薄片。将两个n＝3的rs光子晶体复合，形成关于中心原点对称分布结构，再调制电介质折射率，使其满足 pt对称分布，折射率满足n(z)＝n*(
–
z)。整个结构可以表示成：hhhlhhlhh'l'h'h'l'h'h'h'。
20.当光波从左边入射时，符号ii表示入射光线，ir表示反射光线，i
t
表示透射光线。入射光为横磁波，入射角为θ。
21.电介质薄片h和h'的基质材料为二氧化硅，折射率分为 nh＝3.53 0.01qi，n
h'
＝3.53-0.01qi，其中i为虚数单位，q为增益
‑ꢀ
损耗因子；电介质薄片h和h'的厚度为1/4光学波长，即 dh＝d
h'
＝λ0/4/re(nh)＝0.1098μm(μm表示微米)，其中λ0＝1.55μm为中心波长，re(nh)表示求折射率nh的实部；电介质薄片l和l' 的基质材料为硅，折射率为n
l
＝1.46-0.01qi，n
l'
＝1.46 0.01qi，电介质薄片l和l'的厚度为d
l
＝d
l'
＝λ0/4/re(n
l
)＝0.2654μm。整个结构的材料折射率满足n(z)＝n*(-z)，其中*表示求复共轭。若将折射率写成n(z)＝nr(z) ini(z)，则由pt对称条件得到nr(z)＝nr(-z)和 ni(z)＝-ni(-z)，即折射率实部关于0点呈偶对称，虚部关于0点呈奇对称。
22.折射率的虚部表示增益或损耗。当虚部为正时，表示损耗；当虚部为负时，表示增益。损耗可以通过掺杂铁离子等金属离子来实现，增益通过非线性二波混频得到。
23.当光从左边垂直入射时，θ＝0
°
，改变光波的增益-损耗因子和波长，图2(a)给出的是pt对称rs光子晶体的透射率tf。为了对比明显，对透射率tf取了对数log
10
(tf)。纵坐标表示增益
‑ꢀ
损耗因子q；横坐标(ω-ω0)/ω
gap
表示归一化角频率，其中ω＝2πc/λ、ω0＝2πc/λ0和ω
gap
＝4ω0arcsin
│
[re(nh)-re(n
l
)]/[re(nh) re(n
l
)]| 2
/π分别表示入射光角频率、入射光中心角频率和角频率带隙，c 为真空中光速，arcsin为求反正弦函数。可以看到，在参数空间中，存在一个透射率极大值点，该点也叫作相干完美吸收激光点 (coherent-perfect-absorption-laser point：cpa-lp)，标记为lp。 cpa-lp所在为位置坐标为[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，q＝6.67]，该点的透射率为tf＝1.41
×
105。
[0024]
当光波从左边垂直入射时，为了更形象地展示透射率中的 cpa-lp，图2(b)给出了当增益-损耗因子q＝6.67时对应的透射谱tf，其它参数保持不变。增益-损耗因子q＝6.67正好是光波从左边垂直入射时cpa-lp对应的增益-损耗因子值。改变入射光波长，归一化频率相应地改变，透射率tf是归一化频率的函数。可看到，在透射谱中存在一个极大的透射峰，用*号标注，该峰的透射率正好就是tf＝1.41
×
105。
[0025]
为了验证点[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，q＝6.67]为完美相干吸收激光点，图2(c)给出的左垂直入射光波在参数空间中的反射率 rf。log
10
(rf)表示对反射率取对数。可以看到，随着增益-损耗因子和归一化频率的变化，反射率rf在参数空间中也存在一个极大值点，该极值点的位置正好位于[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，q＝6.67]处。因此，该点同时是透射率和反射率极值点，故该点即为cpa-lp，标记为lp，反射率在该点的值为rf＝9.76
×
104。
[0026]
图2(d)给出了当增益-损耗因子q＝6.67时对应的反射谱rf，其它参数保持不变。增益-损耗因子q＝6.67正好是光波从左边垂直入射时的cpa-lp对应的增益-损耗因子值。改变入射光波长，归一化频率相应地改变，反射率rf是归一化频率的函数。可看到，在反射谱中存在一个极大的透射峰，用*号标注，该峰的反射率正好就是rf＝9.76
×
104。
[0027]
当光从右边垂直入射时，θ＝0
°
，改变光波的增益-损耗因子和波长，图3(a)给出的是pt对称rs光子晶体的透射率tb。为了对比明显，对透射率tb取了对数log
10
(tb)。可以看到，这参数空间中，存在一个透射率极大值点，记为lp，该点为cpa-lp， lp所在为位置坐标为[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，q＝6.67]，该点的透射率为tb＝1.41
×
105。
[0028]
当光波从右边垂直入射时，为了更形象地展示透射率中的 cpa-lp，图3(b)给出了当增益-损耗因子q＝6.67时对应的透射谱tb，其它参数保持不变。增益-损耗因子q＝6.67正好是光波从右边垂直入射时对应的cpa-lp对应的增益-损耗因子值。改变入射光波长，归一化频率相应地改变，透射率tb是归一化频率的函数。可看到，在透射谱中存在一个极大的透射峰，用*号标注，该峰的透射率正好就是tb＝1.41
×
105。
[0029]
为了验证点[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，q＝6.67]为完美相干吸收激光点，图3(c)给出的右垂直入射光波在参数空间中的反射率 rb。log
10
(rb)表示对反射率取对数。可以看到，随着增益-损耗因子和归一化频率的变化，反射率rb在参数空间中也存在一个极大值点，该极值点的位置正好位于[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，q＝6.67]处。因此，该点同为左、右透射率和反射率极值点，故该点即为 cpa-lp，标记为lp，反射率在该点的值为rb＝2.23
×
105。
[0030]
图3(d)给出了当增益-损耗因子q＝6.67时对应的反射谱rb，其它参数保持不变。增益-损耗因子q＝6.67正好是光波从左边垂直入射时对应的cpa-lp对应的增益-损耗因子值。改变入射光波长，归一化频率相应地改变，反射率rf是归一化频率的函数。可看到，在反射谱中存在一个极大的透射峰，用*号标注，该峰的反射率正好就是rb＝2.23
×
105。
[0031]
以上说明，对于pt对称的rs光子晶体，cpa-lp同时为左、右入射光波的透射率和反射率的极大值点，与光波的入射左、右方向无关。
[0032]
光波从左边或右边入射，入射角为θ＝40
°
时，相对于θ＝0
°
时候的情形，cpa-lp参数空间中的位置将发生改变。图4(a)给出的是此时pt对称光子晶体的透射率t。可以看到，这参数空间中，存在一个透射率极大值点lp，即cpa-lp。lp所在为位置坐标为 [(ω-ω0)/ω
gap
＝0.6709，q＝7.61]，该点的透射率为t＝2.72
×
106。
[0033]
当θ在区间[0
°
，60
°
]变化时，改变增益-损耗因子，在参数空间中都会出现cpa-lp，如图4(b)所示。可以看到，随着入射角的增大，cpa-lp逐渐向右上方移动。图4(c)和图4(d)分别给出的是cpa-lp所对应的增益-损耗因子和归一化频率随入射角的变化关系。可以看到，增益-损耗因子和归一化频率随入射角的增大而增大。因此，将该器件中的cpa-lp应用于光放大器和激光器时，可以通过改变光波的入射角大小，来灵活地调控光放大器和激光器的工作波长。
[0034]
总之，pt对称的rs光子晶体中可以实现cpa-lp。cpa-lp 是左、右入射光反射率和透射率的极大值点，最大透射率可高达 106量级。在由增益-损耗因子和归一化频率组成的参数空间中， cpa-lp的位置是入射角的函数。因此，当将cpa-lp用作光放大器和激光器时，光放大器和激光器的工作波长可以通过光波入射角来灵活地调控。
[0035]
如图2(a)中所示，当光从左边垂直入射时，θ＝0
°
，cpa-lp 对应的增益-损耗因子q＝6.67，归一化频率为(ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145，反射率为rf＝9.76
×
104，透射率为tf＝1.41
×
105。归一化频率 (ω-ω0)/ω
gap
＝0.5145对应的波长为λ＝1.2104μm，即当入射角满足该该条件时，光子晶体受激发射出激光，激光器的输出波长就为λ＝1.2104μm。
[0036]
如果想改变激光器的输出波长，可通过改变入射角来实现，如图4(a)所示。例如将入射角增加到θ＝40
°
时，对应的cpa-lp 位置为[(ω-ω0)/ω
gap
＝0.6709，q＝7.61]，(ω-ω0)/ω
gap
＝0.6709对应的激光器波长为λ＝1.1348μm，即只要改变入射角大小，就能调出激发波长为λ＝1.1348μm的激光。图4(b)给出的是cpa-lp位置在参数空间中的位置随如射角的变化关系，入射角不同，对应的 cpa-lp位置不同，对应的归一化频率不同，即对应的工作波长不同。
[0037]
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。