專利名稱：利用人工電磁介質(zhì)的光波導的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用人工電磁介質(zhì)的光波導器件，屬于光通信技術領域，可通 過減小光波(電磁波)的能量傳播速度實現(xiàn)光延遲和光存儲等技術，對未來實現(xiàn)全光分組 交換網(wǎng)絡和大容量光信息存儲有重要意義和應用價值。
背景技術：
光波導在通信領域中具有很大的應用前景。其傳輸原理是利用不同折射率的介 質(zhì)分界面上光波的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。常用光波導 有光纖、薄膜波導、帶狀波導等不同種類，可用于信號傳輸、制作耦合器、延遲器、分 配器等。通信技術的快速發(fā)展對光波導的功能提出的更高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明提供一種可實現(xiàn)光延遲與光存儲功能的光波導，該波導為兩 層介質(zhì)圓柱波導結(jié)構(gòu)，可降低光波的能量傳播速度，實現(xiàn)光延遲，并且可使不同波長的 光波停滯于波導內(nèi)的不同位置，實現(xiàn)不同波長光信號的分離存儲功能。技術方案本發(fā)明所述的利用人工電磁介質(zhì)的光波導，為普通介質(zhì)圓柱外包裹 一定厚度的非磁性人工電磁介質(zhì)構(gòu)成的圓柱介質(zhì)波導。人工電磁介質(zhì)中有一類具有負介 電常數(shù)或負折射率的特性，在滿足一定參數(shù)條件的情況下，該波導內(nèi)電磁波色散曲線不 同于普通介質(zhì)波導，存在簡并的正向波和反向波模式。光波的能量傳播速度(群速度)在 簡并點附近非常小，在簡并點處則為零。將波導中心圓柱設計為半徑漸變的椎體結(jié)構(gòu)， 光波從直徑較大一端向直徑較小的一端傳輸，隨著中心圓柱半徑的減小，光波能量速度 逐漸趨于零，即光波越傳越慢，從而實現(xiàn)光延遲功能。當光波行至中心圓柱半徑等于簡 并點半徑處，光能量被擠壓并停滯于該點，因此可實現(xiàn)能量和信息存儲功能，并可衍生 能量耦合等其他功能。由于不同波長所對應的簡并點半徑不同，因此它們在波導內(nèi)停留 的位置也不同，從而可分離不同波長信號，提高信息存儲效率。人工電磁介質(zhì)的制作和實現(xiàn)方式多種多樣，電磁參數(shù)通過結(jié)構(gòu)設計可人工調(diào) 控。以多層二氧化硅-銀薄膜結(jié)構(gòu)為例，調(diào)整二氧化硅薄片與銀薄片的厚度比，可制備 出在光波段相對介電常數(shù)從-0.1變化至-10的人工電磁介質(zhì)。另外，金屬等自然物質(zhì)在 一定波長下也表現(xiàn)出負介電常數(shù)特性，例如在光波段，銀的介電常數(shù)為負值。因此，可 通過人工調(diào)控的方法，設計制備出可用于實現(xiàn)本發(fā)明所提出波導結(jié)構(gòu)的人工電磁介質(zhì)。本發(fā)明的光波導要求人工電磁介質(zhì)的切向相對介電常數(shù)與普通介質(zhì)的相對介電 常數(shù)的比值大于-0.2，由此設計的光波導能夠?qū)崿F(xiàn)慢光延遲現(xiàn)象。根據(jù)工作波長即可確 定光波在波導中停滯時對應的波導直徑，該直徑必須介于所設計的光波導較大直徑與較 小直徑之間。根據(jù)此規(guī)則設計出的光波導即可實現(xiàn)慢光延遲與光信息存儲功能。有益效果本發(fā)明利用人工電磁介質(zhì)制作光波導，可實現(xiàn)光延遲與光信息存儲 功能，且能分離不同波長的光波；該光波導結(jié)構(gòu)方式簡單，便于實現(xiàn)和操作。


圖1是本發(fā)明的光波導結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的光波導縱向剖視圖。圖3是使用電磁波仿真軟件獲取的本發(fā)明光波導中電場幅值分布縱向剖視圖。圖4是本發(fā)明中涉及的利用二氧化硅_銀薄膜多層結(jié)構(gòu)組成的光波導結(jié)構(gòu)圖。圖5是用電磁波仿真軟件獲取的圖4所示波導中的電場幅值分布縱向剖視圖。圖6是本發(fā)明中涉及的利用銀和普通介質(zhì)組成的光波導結(jié)構(gòu)圖。圖7是用電磁波仿真軟件獲取的圖6所示波導中的電場幅值分布縱向剖視圖。圖中1.光信號入射端，2.人工電磁介質(zhì)，3.普通介質(zhì)，4.光信號出射端。在所有的上述附圖中，相同的標號表示具有相同、相似或相應的特征或功能。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例1 :參照圖1 3，普通介質(zhì)(3)為空氣，人工電磁介質(zhì)(2)切向介電常 數(shù)為-0.10，徑向介電常數(shù)為-0.30，波導長度為38.0μιη，切向圓直徑為5.0μιη，入射 端(1)處普通介質(zhì)(3)的切向圓直徑為1.0 μ m，出射端(4)處普通介質(zhì)的切向圓直徑為 0.5 μ m。上述波導的性能經(jīng)過OptiFDTD電磁全波仿真軟件仿真驗證。中心波長為500nm 的光波包由入射端(1)進入該光波導，傳播速度隨中心圓柱直徑減小逐漸減慢，波包的 空間分布被壓縮，最終停留在普通介質(zhì)(3)切向圓直徑為0.706μιη的位置處，距入射端 22.400 μ m。非500nm中心波長的波包則無法在此處停留，例如波長為700nm的光波包 進入該光波導后將會停留在切向圓直徑為0.988 μ m的位置處。調(diào)節(jié)波導的長度可以改變 波包在其中的傳播延時，在特定位置設定耦合裝置則可以提取出所需信號。實施例2:參照圖4 5，普通介質(zhì)(3)為二氧化硅，介電常數(shù)為3.90，人工 電磁介質(zhì)(2)為多層二氧化硅-銀薄片，二氧化硅與銀的厚度比為1 3，入射波長為 354nm,其等效切向介電常數(shù)為-0.528，縱向介電常數(shù)為-3.207。波導長度為8.5μιη，切 向圓直徑為1.2 μ m，入射端(1)處普通介質(zhì)(3)的切向圓直徑為0.320 μ m，出射端(4)處 普通介質(zhì)的切向圓直徑為0.220 μ m。中心波長為354nm的光波包由入射端(1)進入該光 波導后最終停留在普通介質(zhì)(3)切向圓直徑為0.268 μ m的位置處，距入射端4.460 μ m。實施例3 參照圖6 7，普通介質(zhì)(3)為二氧化鈦，介電常數(shù)為19.0，人工電 磁介質(zhì)(2)為金屬銀，介電常數(shù)為-1.481，入射波長為344nm。波導長度為ΙΟ.Ομιη， 切向圓直徑為0.660 μ m，入射端(1)處普通介質(zhì)(3)的切向圓直徑為0.164 μ m，出射 端⑷處普通介質(zhì)的切向圓直徑為0.098 μ m。中心波長為344nm的光波包由入射端(1) 進入該光波導后最終停留在普通介質(zhì)(3)切向圓直徑為0.106μιη的位置處，距入射端 3.160 μ m。
權(quán)利要求
1.一種利用人工電磁介質(zhì)的光波導，其特征是該光波導為普通介質(zhì)(3)圓柱外包裹一 定厚度的人工電磁介質(zhì)(2)的圓柱介質(zhì)波導，中心圓柱為半徑漸變的椎體結(jié)構(gòu)，光波從 直徑較大一端向直徑較小的一端傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用人工電磁介質(zhì)的光波導，其特征是人工電磁介質(zhì)(2)的 切向相對介電常數(shù)與普通介質(zhì)的相對介電常數(shù)比值大于-0.2，可用多層二氧化硅-銀薄膜 制備，或利用銀在光波段介電常數(shù)為負值的特性制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用人工電磁介質(zhì)的光波導，其特征是中心圓柱錐體結(jié)構(gòu)的 直徑變化范圍必須包含確定工作波長的光波在波導中停滯時對應的波導直徑。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用人工電磁介質(zhì)的光波導器件。該波導為一段普通介質(zhì)圓柱外包裹一定厚度的人工電磁介質(zhì)，形成圓柱介質(zhì)波導結(jié)構(gòu)，中心圓柱為半徑漸變的椎體結(jié)構(gòu)，光波(電磁波)由較寬端入射。利用人工電磁介質(zhì)所具備的負折射率或負介電常數(shù)特性，該波導可降低光波能量傳播的速度(群速度)，實現(xiàn)慢光傳播甚至光停滯。這種光波導結(jié)構(gòu)可應用于實現(xiàn)光信號的延遲與信息存儲。不同波長的光波信號在波導內(nèi)停滯的位置不同，從而可分離不同波長的信號，提高信息存儲效率。
文檔編號G02B6/10GK102012537SQ20101026635
公開日2011年4月13日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者馮一軍, 姜田, 張奇 申請人:南京大學