具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所示实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相通或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一、结构模型

本发明基于PT对称，构造出一种PT对称耦合微腔和磁微腔的复合结构，其中将材料的弱磁光效应与PT对称结构的极点状态相结合，从而产生非寻常的放大效果。

如图1和图2所示的本发明PT对称复合结构，整体为左右对称结构，包括设置在左右两侧的P层，以及位于两P层之间的G层和L层，其中两P层之间相对称，G层与L层相对称，在P层与G层之间、G层与L层之间、L层与P层之间均设有A层作为分隔。上述P层为耦合棱镜，其截面为三角形，且其与G层或L层之间的相邻面相互平行；上述G层和L层均为由介质层形成的耦合微腔，其中G层是增益介质层，而L层是损耗介质层，两者均采用半导体材料InSb(锑化铟)，并通过掺杂量子阱制备而成，具体增益介质层和损耗介质层的制备方法属于现有技术，本发明中不做赘述；InSb是一种具有磁光效应的光学材料，当然G层和L层也可选用其他具有类似磁光效应的光学材料；上述A层为空气层，起间隔作用。

如图2所示，在实际使用时，对G层和L层施加y向(垂直于图2纸面方向)磁场，并保证本发明结构工作在PT对称的极点状态，即可使得本发明结构获得极大的透射率，其透射率数值高达数千，且透射率大小受所施加磁场的磁感应强度线性调控。具体效果为，当弱光波由一侧P层射入本发明结构，且入射方向垂直于棱镜表面，则由于本发明结构极大的透射率而产生的放大作用，使另一侧P层透射出强光波。

二、结构工作原理

1)InSb材料性质：

本发明结构中G层和L层所采用的InSb具有磁光效应，当沿y向对其施加磁场时，其介电常数为张量，具体可写成：

其中i为虚数单位，ε₁、ε₂和ε₃的表达式为：

式中ω为入射波的角频率，ε_∞为高频极限介电常数，ω_p为等离子体频率，为由磁感应强度B来控制的电子回转频率，e为电子电荷，γ为电子碰撞频率，m^*＝0.014m_e为电子的有效质量，m_e为电子质量，ε_ph为声子阻尼率，其表达式如下：

式中ω_t和ω_l分别为横向和纵向光学声子频率，γ_ph是声子阻尼率。

由公式(1)～(4)可看出，ε₂受外加磁场的调制，在入射面为xz平面、入射光为H极化波的情况下，电位移和电场矢量都在xz平面，ε₃对传输结果没有影响；γ和ω_p为依赖于温度的Drude模型参数，其值可以通过拟合反射和透射光谱的值来确定，具体方法属于现有技术，部分结果如表1所示：

表1：依赖于温度的Drude模型参数γ和ω_p

2)本发明G层和L层介电张量：

基于InSb介电张量公式(1)，为研究方便，分别在介电张量的主对角元处加上互为共轭的虚数iτ，来表示本发明结构中G层的增益层介电张量ε_G和L层的损耗层介电张量ε_L：

3)本发明结构状态分析：

对于增益层和损耗层中的模场演化，采用耦合模型理论进行分析，具体为建立如下方程：

其中a₁和a₂分别是增益层和损耗层的场振幅，ω₀是G层和L层这两个微腔的谐振频率；g和v分别是增益系数和损耗系数，在满足PT对称条件下v＝-g，其具体数值大小与τ有关；k是耦合系数。设在本发明结构中传输的光波是单色简谐波，具体形式为其中ω₁是本发明结构的本征频率，则有：

进而根据公式(8)和(9)得到：

再由v＝-g，求解得到：

式(11)决定了本发明结构的状态，当k>g时，ω₁存在两个实数解，表示本发明结构处于PT对称态；当k＝g时，是PT对称态至PT对称破缺态的临界点；而当k<g时，则ω₁存在两个复数解，表示本发明结构处于PT对称破缺态。在PT对称破缺态中又存在一些离散的极点，本发明则基于PT对称耦合微腔在磁场信号的调制下形成特殊的极点效应。

三、具体实施例

1)结构及环境参数设置

如图2所示，为仿真验证本发明结构的效果，对本发明结构中参数设置如下：

d_A1＝600nm，d_G＝d_L＝1500nm，d_A2＝300nm，其中d_A1为P层与G层或P层与L层的间距，d_G为G层的宽度，d_L为L层的宽度，d_A2为G层与L层的间距；P层耦合棱镜截面为等腰直角三角形，其锐角θ＝π/4；并令高频极限介电常数ε_∞＝15.6，横向光学声子频率ω_t/2π＝5.90THz，纵向光学声子频率ω_l/2π＝5.54THz，声子阻尼率γ_ph＝3.77THz；温度选取室温295K、磁感应强度B＝0.15T，从而等离子体频率ω_p/2π＝2.11THz，电子碰撞频率γ＝1.65THz。

2)确定极点状态下参数τ取值

通过传输矩阵法分析计算上述结构的透射谱随所设定τ的变化情况，结果如图3～6所示，图中横坐标为光波频率，纵坐标为本发明结构的透射率；其中图3所示τ＝0时，透射谱中存在两个峰值为1的峰，对应于式(11)的两个实数解；图3至图5所示，随着τ值的增大，透射谱中两个峰趋于合并，其原因在于增益系数g与τ有关，故随着τ值增大，g也随之增大，从而式(11)两个实数解趋于靠近；之后继续增大τ至k<g时，两个峰完全合并，结构进入PT对称破缺态，而该状态中存在一些极点；如图6所示，τ＝0.7742时，透射率在光波频率为29.6989THz处产生一个跃升，达到2252，此时即为本发明结构的极点状态，在该状态下，透射率受磁感应强度的影响非常敏感。

3)效果测试

设定τ＝0.7742、光波频率为29.6989THz，通过调节磁感应强度B测试本发明结构透射率的变化情况，结果如图7所示，图示横坐标为磁感应强度B，纵坐标为结构的透射率，其中透射率峰值达到6000。

四、实际应用

1)光学三极管的信号放大应用

将光的强弱随时间的变化，即光的振幅波动作为一种光学信号，从而类比于传统电学领域中晶体三极管的电流放大或电信号放大功能，本发明结构能够将由一侧P层射入的光波从另一侧P层放大并透射出去，其放大倍数等于结构的透射率，且放大倍数极大，具体数值达到上千倍；由此构成一种光学三极管，实现光强放大或光信号放大功能。

2)对光场施加信号调制的应用

如图7所示，本发明结构在极点状态下，透射率受磁场的影响非常敏感，其透射率随磁感应强度的变化曲线中，峰值左右两侧均包括有一段线性变化区域，且峰值左侧曲线斜率为正，而在峰值右侧曲线斜率为负。如背景技术所述，现有光学三极管的实现机制大多都涉及光学非线性过程，非线性会使得设计的复杂程度增加，故本发明中可选择峰值左右两侧的线性变化区域，实现利用磁场信号对光场施加信号调制的功能。

分别选取输入信号B＝2.5+0.45sin(t)和输入信号B＝3.8+0.4sin(t)进行仿真测试；其中输入信号B＝2.5+0.45sin(t)的磁感应强度变化范围对应于图8的灰色区域，其测试结果如图9所示，图9上半部分为输入的磁感应强度波形、下半部分为输出的透射率波形，由图9可直观看出磁场信号被同相调制到透射率上。输入信号B＝3.8+0.4sin(t)的磁感应强度变化范围对应于图10的灰色区域，测试结果如图11所示，由图11可直观看出磁场信号被反相调制到透射率上。

在实际使用时，保证入射光振幅恒定，从而本发明结构通过透射放大作用向外提供了一个很强的光场，在此情况下，利用磁场对透射率的线性调控作用，而透射率的变化又直接作用在透射光的振幅上，也即透射光振幅会随磁感应强度的变化同步波动，由此使得磁场信号被同频率地调制在强光场上；同时由图9或图11可看出，磁场信号的波动幅度在0.5T以内，而透射率波动幅度则有1000多，故本发明结构实现了通过弱磁场信号对强光场施加同频率调制的功能。

进一步地，因磁场可由电流产生，且磁感应强度随电流大小变化，故磁场信号实际反映的是电信号，同时光场信号也可以经光电转换成电信号，但相对于弱磁场信号所对应的弱电流信号，本发明结构输出的强光场信号转换出的则是强电流信号，由此实现另一种类似于传统晶体三极管的以弱控强功能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变形均属于本发明的保护范围。