一种可实现相干吸收激光点的pt对称康托尔光子晶体结构
阅读说明：本技术 一种可实现相干吸收激光点的pt对称康托尔光子晶体结构 (PT symmetrical Kantol photonic crystal structure capable of realizing coherent absorption of laser spot ) 是由 赵东 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可实现相干完美吸收激光点的PT对称康托尔光子晶体结构,两种折射率不同的均匀电介质薄片满足序列序号N=3的康托尔光子晶体排列,康托尔序列的迭代规则：S-(0)=A,S-(1)=ABA,S-(2)=ABABBBABA,S-(3)=S-(2)(3B)～(2)S-(2),……,S-(N)=S-(N-1)(3B)～(N-1)S-(N-1),……,调制电介质薄片中材料的折射率,使整个结构的材料折射率满足PT对称条件：n(z)=n*(??z)；调控光波入射角的大小和PT对称康托尔光子晶体中增益损耗系数的大小,可以得到不同波长的相干完美吸收激光点。可将相干完美吸收激光点用于制作激光器,激光器的工作波长可以通过增益-损耗因子来灵活地调控。该结构具有提高光放大倍数和缩减结构尺寸等优点。(The invention discloses a PT symmetrical Kantol photonic crystal structure capable of realizing coherent perfect laser point absorption, wherein two uniform dielectric sheets with different refractive indexes meet the Kantol photonic crystal arrangement with the sequence number N =3, and the iteration rule of the Kantol sequence is as follows: s 0 =A，S 1 =ABA，S 2 =ABABBBABA，S 3 =S 2 (3B) 2 S 2 ，……，S N =S N‑1 (3B) N‑1 S N‑1 … …, the refractive index of the material in the dielectric sheet is modulated so that the refractive index of the material throughout the structure satisfies the PT symmetry condition: n (z) = n x (-z); the coherent perfect absorption laser points with different wavelengths can be obtained by regulating the light wave incident angle and the gain loss coefficient in the PT symmetrical Cortotel photonic crystal. Can perfectly suck the coherenceThe laser receiving point is used for manufacturing a laser, and the working wavelength of the laser can be flexibly regulated and controlled through a gain-loss factor. The structure has the advantages of improving the light amplification factor, reducing the size of the structure and the like.)
技术领域
本发明属于全光通信系统技术领域，涉及一种可实现相干完美吸收激光点的PT对称康托尔光子晶体结构。
背景技术
激光器在当下各
技术领域
有着广泛地应用，例如，在全光通信中，发射端的光源大多采用半导体激光器；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，需要变波长，用到的是光纤激光器。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。掺杂杂质的电介质在泵浦光作用下，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。再在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。当光强超过阈值时，受激发射出激光。这里的泵浦光实际是为电介质提供了增益所需的能量，有的地方也采用电泵浦。
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。但近期非厄米光学研究表明，电介质中的损耗，也可以引发很多奇异的光学特性，如光学定向隐身、反射系数相位突变，以及安德森局域等。
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，系统是非厄米的。此时的电介质折射率可以写成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，使其在空间上满足条件：n(z)=n*(−z)，其中z为空间位置坐标，则说该结构满足宇称-时间（Parity–time：PT）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），该点反射率和透射率都是一个极大值，故可将CPA-LP应用于光放大器和激光器。这种光放大器的电介质层数要求较多，其制造难度较大，且不易降低结构尺寸。
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膜，而且其缺陷腔对电场的局域性更强，即共振性更强。而激光器就是利用谐振腔的共振来受激发射的，因此，可以考虑将PT对称性和准光子晶体结合，实现更大强度的光放大激光点；或在相同的放大能力情况下，缩减器件的尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现相干完美吸收激光点的PT对称康托尔光子晶体结构。
本发明的技术方案是：
一种可实现相干完美吸收激光点的PT对称康托尔光子晶体结构，两种折射率不同的均匀电介质薄片满足序列序号N=3的康托尔光子晶体排列，康托尔序列的迭代规则：
S0=A，S1=ABA，S2 = ABABBBABA，S3 = S2(3B)2S2，……，SN = SN-1(3B)N-1SN-1，……，其中N（N=0，1，2，3，……）序列的序号，SN表示序列的第N项，3B表示三个B：BBB，(3B)2表示9个B：BBBBBBBBB，(3B)N-1表示3 N-1个B；
字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片；
PT对称康托尔光子晶体结构的入射光为横磁波，入射角为θ；
调制电介质薄片中材料的折射率，使整个结构的材料折射率满足PT对称条件：n(z)=n*(−z)，其中*表示求复共轭；
将折射率表示成n(z)=nr(z)+ini(z)，其中nr(z)表示折射率实部，ni(z)表示折射率虚部，i表示虚数单位；
当结构满足PT对称时，则折射率实部关于0点呈偶对称分布，虚部关于0点呈奇对称分布；
调控光波入射角的大小和PT对称康托尔光子晶体中增益损耗系数的大小，可以得到不同波长的相干完美吸收激光点。
进一步地，上述A的基质材料为碲化铅，折射率为na=4.1；所述B的基质材料为冰晶石，折射率为nb=1.35。
进一步地，上述A和B电介质薄片厚度均为1/4光学波长，即A的厚度为da=λ0/4/na=0.0945μm，其中λ0=1.55μm为中心波长，B的厚度为db=λ0/4/nb=0.287μm。
进一步地，上述θ为从0°至90°范围内可调。
本发明的特点和有益效果在于：本发明的技术方案经调制序列序号序号N=3的康托尔（Cantor）光子晶体中材料的折射率，使其满足PT对称；改变光的入射角度大小，从而找到满足特定波长的激光点。该激光点对应的入射角和波长还可以通过材料的增益-损耗系数来灵活地调控。
一般的光放大器的放大倍数为102-103，而该光子晶体放大器的放大倍数可以高达104-105。
另外，该放大器的尺寸只有微米量级，大大简化光放大的系统结构。
附图说明
图1为本发明的满足PT对称的Cantor序列光子晶体结构；
图2 (a)为透射率随入射角和归一化频率的变化关系；(b)为入射角θ=30.45°时对应的透射谱；(c)为反射率随入射角和归一化频率的变化关系；(d)为入射角θ=30.45°时对应的反射谱；增益-损耗因子q=0.01；
图3 (a)为增益-损耗因子q=0.02时透射率随入射角和归一化频率的变化关系；
(b)为不同q值对应的CAP-LP在参数空间的位置；
(c)为CAP-LP对应的入射角随q的变化关系；
(d)为CAP-LP对应的归一化频率随q的变化关系。
具体实施方式
以下结合实例和附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参见图1，在数学上，康托尔（Cantor）序列的迭代规则为：S0=A，S1=ABA，S2 =ABABBBABA, S3 = S2(3B)2S2，……，SN = SN-1(3B)N-1SN-1，……，其中N（N=0，1，2，3，……）序列的序号，SN表示序列的第N项；(3B)表示3个B，(3B)N-1表示3 N-1个B。对应的Cantor光子晶体中的字母A、B分别表示两种折射率不同的均匀电介质薄片。如图1给出了序列序号N=3的Cantor光子晶体光子结构。其中，A的基质材料为碲化铅，折射率为na=4.1；B的基质材料为冰晶石，折射率为nb=1.35。入射光为横磁波，从左边入射，入射角为θ。电介质薄片A和B厚度均为1/4光学波长，即A的厚度为da=λ0/4/na=0.0945μm（μm表示微米），其中λ0=1.55μm为中心波长，B的厚度为db=λ0/4/nb=0.287μm。再调制电介质薄片中材料的折射率，使整个结构的材料折射率满足PT对称条件：n(z)=n*(−z)，其中*表示求复共轭。可将折射率表示成n(z)=nr(z)+ini(z)，其中nr(z)表示折射率实部，ni(z)表示折射率虚部，i表示虚数单位。当结构满足PT对称时，则折射率实部关于0点呈偶对称分布，虚部关于0点呈奇对称分布。
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。
本专利中折射率实部就代表电介质基质材料的折射率nr(z)=na或nr(z)=nb，虚部表示增益或损耗，将其绝对值叫增益-损耗因子，记为q=|ni(z)|。
参见图2，改变光波的入射角和波长，图2（a）给出的是序号N=3的PT对称Cantor光子晶体的透射率T。为了对比明显，对透射率T取了对数log10(T)。此时增益-损耗因子为q=0.01。纵坐标单位Degree表示度“°”；横坐标(ω−ω 0)/ω gap表示归一化角频率，其中ω=2πc/λ、ω 0 =2πc/λ0和ω gap= 4ω0arcsin│[n a −n b )/[n a +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。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（CPA-LP），简记为LP。LP所在为位置坐标为[θ=30.45°，(ω−ω 0)/ω gap=0.474]，该点的透射率为TLP=3.23×104。
为了更形象地展示透射率中的LP，图2（b）给出了当入射角为θ=30.45°时对应的透射谱，其它参数不变。θ=30.45°正好是LP对应的入射角。改变入射光波长，归一化频率相应地改变，透射率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TLP=3.23×104。
为了验证点[θ=30.45°，(ω−ω 0)/ω gap=0.474]为相干完美吸收激光点，图2（c）给出的光波在参数空间中的反射率R。log10(R)表示对反射率取对数。可以看到，随着入射角和归一化频率的变化，反射率R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[θ=30.45°，(ω−ω 0)/ω gap=0.474]。因此，该点同时是透射率和反射率极大值点，故该点即为CAP-LP。反射率在该点的的值为RLP=1.03×105。
为了更形象地展示参数空间中反射率对应的LP，图2（d）给出了当入射角为θ=30.45°时对应的反射谱，其它参数不变。θ=30.45°正好是LP对应的入射角。改变入射光波长，归一化频率相应地改变，反射率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RLP=1.03×105。
参见图3，改变增益-损耗因子q，使得q=0.02，LP在参数空间中的位置将发生改变。图3（a）给出的是此时光子晶体对应的光波透射率。可以看到，在参数空间中，也存在一个透射率极大值点，即CPA-LP。LP所在为位置坐标为[θ=46.2°，(ω−ω 0)/ω gap=0.604]，该点的透射率为TLP=7.16×103。
当q在区间[0.01，0.04]变化时，改变入射角大小，在参数空间中都会出现CAP-LP，如图3（b）所示。可以看到，随着q的增大，LP逐渐向右上方移动。图3（c）和图3（d）分别给出的是LP所对应的入射角和归一化频率随q的变化关系。可以看到，LP对应的入射角和归一化频率随q增大而增大。因此，当把该器件中的LP应用于激光器时，可以通过改变增益-损耗因子，来改变激光器的波长。
总之，PT对称的Cantor光子晶体中可以实现CAP-LP。CAP-LP是反射率和透射率的极大值点。在由入射角和归一化频率组成的参数空间中，CAP-LP的位置是增益-损耗因子的函数，因此，当将CAP-LP用于制作激光器时，激光器的工作波长可以通过增益-损耗因子来灵活地调控。
具体实施例：（分别结合附图具体说明本方法的实现过程，如有必要可以提供一个使用本方法的实例，此部分越详细越好）
如图2（a）中所示，当增益-损耗因子为q=0.01时，CAP-LP对应的入射角为θ=30.45°，归一化频率为(ω−ω 0)/ω gap=0.474，反射率为RLP=1.03×105，透射率为TLP=3.23×104。而归一化频率(ω−ω 0)/ω gap=0.474对应的波长为λ=1.1749μm，即当入射角满足θ=30.45°时，光子晶体受激发射出激光，激光器的输出波长就为λ=1.1749μm。
如果想改变激光器的输出波长，可通过改变增益-损耗系数q来实现，如图3（a）所示。例如将增益-损耗因子增加到q=0.02时，对应的CAP-LP位置为[θ=46.2°，(ω−ω 0)/ω gap=0.604]，而(ω−ω 0)/ω gap=0.604对应的激光器波长为λ=1.1018μm，即只要改变入射角，使之为θ=46.2°，就能调出激发波长为λ=1.1018μm的激光。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种同步溅射双面AR玻璃盖板功能膜系叠置方法