具体实施方式

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。

这里用S_N表示序号为N(N＝1,2,3，……)的Thue-Morse序列，TM_N表示遵循相应S_N排列的宇称-时间对称光子多层结构。S_N中包含A、B两种折射率不同的均匀电介质。数学上，T-M序列的迭代规则为：S₁＝A，N＝1；时，S_N＝S_N-1(A—>AB,B—>BA)，N≥1，其中符号“—>”表示将S_N-1中的A和B分别用AB和BA代替，形成S_N。由此可以得到S₂＝AB，S₃＝ABBA,S₄＝ABBABAAB，S₅＝ABBABAABBAABABBA，……。

相应的宇称-时间对称光子多层结构为TM_N＝S_NS’_N，其中S’_N与S_N关于原点呈宇称-时间对称，可得TM₂＝ABB’A’，TM₃＝ABBAA’B’B’A’,TM₄＝ABBABAABB’A’A’B’A’B’B’A’，……。图1给出了满足PT对称的第四种Thue-Morse序列S₄的光子多层结构，即ABBABAABB’A’A’B’A’B’B’A’。A、A’、B和B’的折射率分别为n_a＝3.53+0.01qi，n_a'＝3.53-0.01qi，n_b＝1.46-0.01qi，n_b'＝1.46+0.01qi。虚部中q为引入的增益-损耗因子，表示增益或损耗。当虚部为正时，表示引入损耗，当虚部为负时，表示引入增益。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。这四种电介质厚度均为1/4光学波长，即A和A’厚度为0.1098μm(μm表示微米)，为0.2654μm。

在上述光子多层结构中嵌入两层厚度均为0.001μm的石墨烯薄片层，一层放在光子多层左边的电介质层B和B之间，另一层放在右边的B’和B’之间。入射光为横磁波，垂直入射进入光子多层。图中I_if和I_ib分别表示正、反向垂直入射光波。由于PT对称结构有相同的透射光，因此正、反向垂直入射时的透射光波均用I_t表示。

图2给出了未嵌入石墨烯时PT对称的Thue-Morse序列光子多层的电场强度分布情况。横坐标Z-axis为电介质层堆叠的方向，也是光传播的方向，纵坐标Normalized|E|²为归一化电场强度。可以看到，电介质层B和B，B’和B’中间的这两个位置附近存在着最强的电场强度。因此，本发明将石墨烯薄片放置在这两个电场强度最强的地方，可以增强结构的三阶非线性效应。

图3(a)和(b)给出了正、反向入射光对应的反射率，为了便于观察，图中对透射率和反射率均取对数。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(n_a)-Re(n_b)]/[Re(n_a)+Re(n_b)]|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，Re为提取复折射率实部函数。正、反射谱都在参数空间中的归一化频率段(-0.12,0.02)之间用白色虚线标出了EP的具体位置EPs₁和EPs₂。从图3(c)将EPs₁和EPs₂画到同一个坐标轴中以利于观察，这两条0反射率的轨迹线的两个交点均落在归一化频率轴上，具体位置为(ω-ω₀)/ω_gap＝0和-0.094。EP轨迹线随着增益-损耗因子和归一化频率变化：先从一个交点发生劈裂，而后重新汇聚于另一个交点。EPs₁和EPs₂将参数空间划分为三个部分，图中分别标记为I、II、和III，其中I和III为PT对称相，II为非PT对称相。如果将增益-损耗因子设为q＝5，如图虚线所示，则该虚线与两条0反射率轨迹点EPs₁和EPs2有4个交点，即产生4个EPs。当归一化频率逐渐增大，对应的入射光波长减小时，产生的EP依次为EP₁～EP₄。也就是说，归一化频率在(-0.12,0.02)区间逐渐增大时，光子多层在反向入射光的作用下于EP₁从对称相I转换成非对称相II，再在正向入射光的作用下于EP₂由非对称相II转换成对称相III，然后在反向入射光的作用下于EP₃由对称相III转换成非对称相II，最后在正向入射光的作用下于EP₄由非对称相II返回对称相I。这个PT对称相与非PT对称相的转换过程必然会引起反射光相位的跳变，为相位编码提供了必要条件。

本发明所设计的这种PT对称结构是一种特殊的非厄米结构，其散射矩阵可以表示为S＝[t,r_f,r_b,t]，其中t，rf和rb分别表示透射系数，正向和反向入射的反射系数。其特征值和特征向量分别为β1,2＝t±(rfrb)^1/2和(rf^1/2,±rb^1/2)。当(rfrb)^1/2＝0时，特征值在EP合并，同时特征向量发生简并。因此，除反射率为0的这个重要特征外，EP对应的两个特征值β_1,2的实部会产生反交叉，而虚部会产生交叉。图4(a)(b)给出的是增益-损耗因子q＝5时，系统哈密顿量特征值的实部和虚部与归一化频率的关系。通过图(a)中β_1,2实部的交叉与图(b)中虚部的交叉关系，可以判断四个EPs的位置分别为EP₁～EP₄，分别与图3(d)中的四个EPs一一对应。同时，可以计算出EP₁～EP₄对应的归一化频率分别为ω_1～4＝-0.1049，-0.0627，-0.0075和-0.0056。

光子多层的反射系数可以表示为其中和分别是正、反向入射时复值反射系数r_f和r_b的相位。图5(a)给出了增益损耗因子q＝5时反射系数相位随归一化频率变化的情况，也可以看做是入射光波长从左到右逐步减小时的相位谱。可以看到，就是当散射矩阵S的特征解在四个EPs合并时，每个EP都对应着反射系数相位都存在着一个±π/2的跳变。图5(b)中就将这组相位跳变应用于Q₁Q₀数值编码：ω<ω₁对应Q₁Q₀＝00，系统处在图3(d)中的PT对称相I；ω₁<ω<ω₂对应Q₁Q₀＝01，进入非对称相II，ω₂<ω<ω₃对应Q₁Q₀＝10，转换到PT对称相III，ω₂<ω<ω₃对应Q₁Q₀＝11，再次进入非对称相II，ω>ω₄对应Q₁Q₀＝00，回到非对称相I。这就是利用本发明所设计的光子多层实现相位编码的主要思路。

此外，当增益损耗因子q变化时，图3(d)中的虚线与的交点位置也会发生变化，即各EP点的对应的归一化频率改变。图6给出的增益损耗因子不同时，相位编码的宽度对比。若保持石墨烯化学势μ_c＝0eV不变，当增益损耗因子q从5增大到6时，编码01和11的宽度增大，而编码10的宽度减小。另一方面，当石墨烯化学势μ_c变化时，图3(d)中代表0反射率的EPs₁和EPs₂曲线形状会发生变化。若保持增益损耗因子q＝5不变，当石墨烯化学势从0eV增大到0.2eV时，编码00和10的宽度增大，而编码01的宽度减小。这说明，改变增益损耗因子或石墨烯的化学势，可以灵活调整相位编码的宽度，实现分布式测量。。

总之，遵循Thue-Morse序列且满足PT对称的光子多层的正、反向反射的光波呈非互易性，而且其正、反向入射时产生的0反射率(EP)点轨迹曲线发生分裂。这些EP在归一化频率轴上的位置是增益损耗因子的函数，每个EP都是光子多层在PT对称相和非对称相之间相互转换的临界点。在这些转换临界点，反射系数相位在都会产生±π/2的跳变，可以用于相位编码。同时，可以通过调整增益-损耗因子来灵活控制相位编码的宽度，实现分布式测量。该效应可应用于制作光纤传感器。

可如下实施：

(1)材料选取。选取基底分别为二氧化硅和硅的两种电介质，通过掺杂或非线性双波混频引入增益或损耗形成四种电介质A、A’、B和B’，其折射率依次为3.53+0.01qi，1.46-0.01qi，3.53-0.01qi和1.46+0.01qi，其中q为增益-损耗因子，增益和损耗分别通过掺杂或非线性双波混频引入。

(2)结构设计。将这四种电介质按照Thue-Morse序列，选取不同的序列编号类型S_N，堆叠成符合宇称-时间对称的光子多层，如N＝4时的光子多层为TM₄＝ABBABAABB’A’A’B’A’B’B’A’，然后将厚度为0.001μm的两层石墨烯薄片分别嵌入到B、B和B’、B’之间(如图1)。

(3)检测反射系数相位的相位跳变。选取增益-损耗因子q＝5，改变入射光的波长，即在(-0.12,0.02)的归一化频率范围内改变入射光频率ω。先将入射光从正向垂直入射进入光子多层，会在ω₂＝-0.0627和ω₃＝-0.0075两个位置检测到分别出现-π/2和π/2的相位跳变。再将入射光从反向垂直入射进入光子多层，会在ω₁＝-0.1049和ω₄＝-0.0056两个位置检测到都出现π/2的相位跳变(如图3-5)。

(4)将相位跳变应用于数值编码。将这个上述两组相位跳变结合起来，应用于Q₁Q₀数值编码：ω<ω₁对应Q₁Q₀＝00，ω₁<ω<ω₂对应Q₁Q₀＝01，ω₂<ω<ω₃对应Q₁Q₀＝10，ω₂<ω<ω₃对应Q₁Q₀＝11，ω>ω₄对应Q₁Q₀＝00(如图5)。

调整增益-损耗因子改变相位编码宽度。调整电介质的增益-损耗因子，可以调整EP在反射谱上的归一化频率位置，从而控制相位编码的宽度，实现分布式测量。例如，将q由5增加到6时，图3(c)中的代表增益-损耗因子的虚线向右移动，所导致的相位编码宽度相应地发生变化：编码01和11的宽度增大，而编码10的宽度有所减小。(如图6)。

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。

尽管本文较多地使用了……1、……2、等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。