阅读说明：本技术 基于法拉第电磁感应定律的传光方向可调的全光二极管 (Light transmission direction adjustable all-optical diode based on Faraday's law of electromagnetic induction ) 是由 刘超 贺凯 汪发美 吕靖薇 刘强 王明吉 李贤丽 苏魏全 刘伟 刘睿骑 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种全光二极管,具体涉及一种基于法拉第电磁感应定律的传光方向可调的全光二极管,全光二极管包括磁光材料和金属纳米线,金属纳米线镶嵌在磁光材料内,一束激光聚焦在金属纳米线的中部,金属纳米线两端接直流电源(DC)的正极和负极。该全光二极管基于法拉第电磁感应定律和表面等离子体共振技术,能够有效调制光源传播方向并且可以将设备半径限制在纳米尺度,为实现传光方向可控的全光二极管提供了理论指导；对拓宽表面等离子体共振的应用领域,提升光二极管工作稳定性具有重要的参考价值。(The invention relates to an all-optical diode, in particular to an all-optical diode with adjustable light transmission direction based on Faraday's law of electromagnetic induction. The all-optical diode is based on Faraday's law of electromagnetic induction and surface plasma resonance technology, can effectively modulate the light source transmission direction and limit the equipment radius to nanometer scale, and provides theoretical guidance for realizing the all-optical diode with controllable light transmission direction; the method has important reference value for widening the application field of surface plasma resonance and improving the working stability of the light-emitting diode.)

基于法拉第电磁感应定律的传光方向可调的全光二极管

技术领域：

本发明涉及一种全光二极管，具体涉及一种基于法拉第电磁感应定律的传光方向可调的全光二极管。

背景技术：

集成光子回路上最基本的器件就是全光二极管。相对于电子，光子具有没有静止质量、传播速度快等特点，相对而言，全光二极管在传递信息的速度上会远远超过现在广泛应用的二极管。因此，若是能制造出可动态调制的光二极管，将对未来制备复杂的光子回路具有重大意义。传统的光二极管主要基于光子晶体结构，包括光子晶体异质结，光子晶体波导和光子晶体光纤等。近年来，很多新型结构也实现了在某个方向抑制光传输的目的，用来实现光的不对称传输。具有突破性代表的就是2011年发表在Nature Photonics杂志上基于非互易性光学共振的光隔离器，设备的长度仅有290μm，为集成光子电路做出了极大的贡献。2015年，形似三明治结构的布拉格光栅被用来实现光的单向传输并得到了高的传输对比度，光在反向传播时几乎被完全抑制，但是制备过程极为复杂，并且需要特殊光源的辅助。随后，基于热效应的光二极管被提出，但是这类器件受环境因素影响大，不利于光子器件的集成。

虽然上述已有结构均能实现光的单向传播，但是根据传统光学衍射理论瑞利判据可知，传统光学理论制造的光学器件尺寸缩小的极限是波长的一半。纳米光子学作为微电子技术与纳米技术的交叉学科，正逐渐成为世人瞩目的焦点。表面等离子体激元(SurfacePlasmon polariton,SPP)以及电磁特异介质便是纳米光子学的重要分支。研究表明，表面等离子体光学可以有效地突破衍射极限，在亚波长尺度下实现对电磁波的控制和约束。

研究发现，磁场及磁光效应的存在可以打破光的对称传输。考虑到磁光(magneto-optical,MO)材料具有各向异性的相对介电常数，一些光学非互易性设备就基于磁光效应来制作，但是这些设备并没有找到高效的方式调制光的传播方向。2011年Zhu H等人的团队提出了一种以磁光材料为基底的金属阵列结构，可以控制光源单向传输，磁光材料的各向异性介电常数导致了光隔离现象的产生。当磁场垂直于磁光材料横截面时该结构可以激发SPP，同样的情况也适用于纳米线。当直流电存在时，纳米线的周围会出现电致环形磁场B，可以表示为

其中μ₀为真空中介电常数，I为电流值，R为感应磁场半径，磁场的方向垂直于磁光包层的任一横截面，这些条件为磁光效应的产生提供了可能。因此，基于法拉第电磁感应定律来制作纳米尺度下光源的单向导通设备是可行的。

发明内容

：

本发明弥补和改善了上述现有技术的不足之处，提供一种能够有效调制光源传播方向并且可以将设备半径限制在纳米尺度的基于法拉第电磁感应定律和表面等离子体共振的全光二极管。为实现传光方向可控的全光二极管提供了理论指导，对拓宽表面等离子体共振的应用领域，提升光二极管工作稳定性具有重要的参考价值。

本发明采用的技术方案为：一种基于法拉第电磁感应定律的传光方向可调的全光二极管，所述全光二极管包括磁光材料和金属纳米线，所述金属纳米线镶嵌在磁光材料内，一束激光聚焦在金属纳米线的中部，金属纳米线两端接直流电源(DC)的正极和负极。

进一步，所述金属纳米线两个端面接触的介质为空气。

进一步，所述磁光材料的半径不小于金属纳米线半径的两倍。

进一步，所述金属纳米线的半径R₀为160nm，磁光材料的半径R₁为800nm。

进一步，所述金属纳米线内电流I的值为120mA，该电流值下金属纳米线和磁光材料接触面的感应磁场B大小为150mT。

进一步，所述磁光材料为铋铁石榴石(Bismuth iron garnet,BIG)。

进一步，所述金属纳米线的材料选为在可见光和近红外光波段损耗较小的金或银。

进一步地，所述基于法拉第电磁感应定律的全光二极管中，感应磁场导致磁光材料产生各向异性的相对介电常数。

进一步地，所述基于法拉第电磁感应定律的全光二极管中磁光材料各向异性的相对介电常数会导致纳米线两端SPP激发不均匀，诱导光源在纳米线两个方向上产生不对称传输现象。

本发明的有益效果：提供了一种能够有效调制光源传播方向并且可以将设备半径限制在纳米尺度的基于法拉第电磁感应定律和表面等离子体共振的全光二极管。为实现传光方向可控的全光二极管提供了理论指导，对拓宽表面等离子体共振的应用领域，提升光二极管工作稳定性具有重要的参考价值。主要优点如下：

(1)、基于法拉第电磁感应定律的全光二极管在工作波长内既可以在纳米线两端激发SPP，又可以保证磁光材料的磁光活性；

(2)、基于法拉第电磁感应定律的全光二极管可以通过改变纳米线内电流方向来实现二极管传光方向的调制；

(3)、基于法拉第电磁感应定律的全光二极管通过SPP相关理论来具体实现，将设备尺寸限制在了纳米尺度，实现了光子器件的微型化；

(4)、基于法拉第电磁感应定律的全光二极管用现有制作工艺即可实现，制作难度低；

(5)、基于法拉第电磁感应定律的全光二极管的单向传光特性受电流值和磁光包层形状的影响较小，该结构对制作误差的适应性好。

附图说明：

图1是实施例一的立体结构示意图；

图2是实施例一的标注示意图；

图3是实施例一中全光二极管在可见光和近红外光范围内SPP的色散关系图；

图4是实施例一中全光二极管在纳米线材料不同时的非互易性色散图；

图5是实施例一中全光二极管在纳米线材料不同时的消光比图；

图6是实施例一中全光二极管在λ＝373nm时金属纳米线两端截面的电场强度分布图；

图7是实施例一中全光二极管结构横截面电场分布|E|的数值仿真图；

图8是实施例一中不同电流值下消光比和沿纳米线表面的SPP电场强度对比图；

具体实施方式

：

实施例一

参照各图，一种基于法拉第电磁感应定律的传光方向可调的全光二极管，包括一根镶嵌在常见的磁光材料BIG中的金属纳米线1且磁光材料2的半径不小于纳米线半径的两倍；一束激光聚焦在金属纳米线的中部，纳米线两端接直流电源的正负极且与纳米线两个端面接触的介质为空气；金属纳米线的材料选为在可见光和近红外光波段损耗较小的金或银，且金属纳米线的半径R0为160nm，磁光材料的半径R1为800nm；金属纳米线内电流I的值为120mA，该电流值下纳米线和磁光材料接触面的感应磁场B大小为150mT。

当具有衍射极限的激光聚焦在光滑纳米线上时，由于不满足动量匹配条件所以不会在纳米线的轴向产生SPP。当直流电存在时，线的周围会出现电致环形磁场B，可以表示为

其中μ₀为真空中介电常数，R为感应磁场半径，磁场的方向垂直于磁光包层的任一横截面，这些条件为磁光效应的产生提供了可能。在光学频率上，介电常数张量可以描述各向异性材料的性质，本发明中ε_zx＝-ε_xz＝iε_a且ε_xy＝ε_yx＝ε_yz＝ε_zy＝0。一些对于BIG磁光响应函数的研究表明，当感应磁场B大于150mT时该材料的法拉第自旋达到最大值，此时ε_a达到饱和值0.06且材料具有很强的回旋磁性。本发明的所有研究都基于以下参数：ε_xx＝ε_yy＝ε_zz＝6.25，I＝120mA，B＝150mT且R0＝160nm。金属纳米线的材料选为在可见光和近红外光波段损耗较小的金或银，相对介电常数可以由Lorentz–Drude(LD)模型表示：

其中，ω_p为等离子体频率，对于金和银，

分别为9.03eV和9.01eV，这里

代表普朗克常数。

为受到振荡强度f₀和阻尼常数Γ₀影响的等离子体频率，f₀和Γ₀的值分别为0.845和0.048。

对于BIG材料，很大的波长范围内都可以产生磁光效应，为了使结构在产生SPP的同时保持磁光活性，此处只讨论SPP产生的边界条件即ε_m<-ε_d的情况，其中ε_d＝ε_xx±ε_α。金和银两种材料满足边界条件ε_m<-ε_d的最小波长分别为371nm和372nm。考虑到电流对纳米线的影响，下面对金属纳米线的相对介电常数进行修正。自由电子在金属内以u＝J/ne的速度移动，其中电流密度J＝I/πr₀ ²且电子的体积密度n＝mω_p ²/4πe²，上式中，m＝9.10956×10-31kg且e＝1.602176634×10-19C。电子等离子体的运动会产生金属介电常数的多普勒频移，表示为:

其中k_x是SPP沿金属纳米线表面传播的波矢。

图3是入射光频率ω/ω_p在0.1252-0.3626(波长λ在1100nm-380nm)范围内SPP的非互易性色散关系，k_+x和k_-x的不同表示纳米线表面光源传输的非互易性，其中k_x是SPP沿金属纳米线表面传播的波矢，正负代表方向。由图3可以看出，操作频率越接近SPP产生的边界条件，结构所产生的光学非互易性现象越强，红色实线和黑色点线分别表示金和银纳米线的色散关系。当电流沿-x方向传播时，SPP在ω(k_+x)到ω(k_-x)内的传输波矢出现了极大的不同。对于不同金属材料，详细的色散关系在图4中展示，其中k_+x固定为SPP存在的边界条件(金和银分别对应λ＝371nm和λ＝372nm)下SPP正向波矢，规定k_-x＝k_+x。存在SPP不对称传输现象的频率范围ω(k_+x)>ω>ω(k_-x)被标为黄色，对应的波长范围为金纳米线371nm<λ<374nm，银纳米线372nm<λ<375nm。

为了进一步分析纳米线两个端面之间的关系，本结构中的高电势面定义为input平面，另一个平面定义为output，如图1所示。结构的传输对比度T(消光比)表示如下：

T＝10[lg(T_in/T_out)]

其中T_in和T_out分别为高电势面和低电势面的透射率。传输对比度也称为消光比，是用来衡量设备不对称传输程度的物理量。所测设备的光源传输不对称程度越大，消光比越大。图5展示了消光比随波长的变化，红色实线和黑色点线分别对应金纳米线和银纳米线的情况。结构的非互易性现象受材料和波长的影响较大，银纳米线在入射波长371nm-374nm范围内有较好的SPP不对称传输表现，但是，金纳米线在整个操作波长范围内性质更为稳定。由图5可知，金纳米线在操作波长范围内的消光比约为4dB，银纳米线在波长为371nm时得到最大消光比6.7dB，之后随着波长的增加消光比逐渐下降。

图6所示为λ＝373nm时金属纳米线两端截面的电场强度分布图，在此波长下，低电势平面的SPP减弱了，因此光源的不对称传输效应出现且主要沿高电势面传输，仿真结果较好地展示了不同材料金属纳米线的单向传输现象。由图6可知，镶嵌在BIG材料内的带电金属纳米线导致了SPP电场强度的重新分布，高电势面特别是纳米线边缘部分电场强度较强。这一现象说明金属纳米线可以与磁光材料发生耦合，并诱导光源产生不对称传输的现象。

为了进一步阐述光的不对称传输现象，图7对固定波长下SPP沿不同材料纳米线的传播进行了描述，波长为373nm且结构其他参数不改变时，SPP更多地分布在高电势面特别是纳米线两端的边缘部分。此外，在远离纳米线两个端面的方向上，电场强度的振幅逐渐减小，最终趋于稳定且几乎为0。

入射光波长为373nm时银纳米线的SPP电场分布情况与金纳米线类似。在两种结构中金纳米线的SPP电场强度相对较弱，但是这种情况可以通过增加线内电流来改善，例如I＝30A。详细情况如图8所示，随着电流值增加，金属纳米线表面特别是两个端面的SPP电场强度也随之增加，然而结构的非互易性与I＝120mA的情况保持一致。这是因为当感应磁场B大于150mT时该材料的法拉第自旋达到最大值，BIG材料的相对介电常数不会因为电流值的继续增加而发生改变。此外，改变磁光包层的形状对该结构的非互易性影响极小，因为金属材料和磁光介质的接触面形状保持不变，SPP作为表面波受金属—电介质接触面的影响更多。

因此，基于法拉第电磁感应定律的全光二极管具有光的单向导通特性，当纳米线内电流方向改变时，感应磁场的方向就会发生改变，从而导致磁光介质介电张量的变化，最终实现传光方向的调制。而且基于法拉第电磁感应定律的全光二极管单向传光特性受电流值和磁光包层形状的影响较小，该结构对制作误差的适应性好。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。