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        非對(duì)稱TMP耦合實(shí)現(xiàn)非互易性傳輸

        2018-11-28 11:59:52
        天津科技 2018年11期
        關(guān)鍵詞:磁場(chǎng)

        孫 雯

        (中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300200)

        1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與討論

        非互易性共振峰可以通過(guò)調(diào)整入射角度、金屬層厚度和周期數(shù)連續(xù)地調(diào)節(jié)。這里我們首先固定圖 1中的結(jié)構(gòu)參數(shù) dD′ = 1.42dD,來(lái)研究共振峰波長(zhǎng)隨入射角度的變化。通過(guò)計(jì)算得到的透射譜T(θ,λ)畫出共振峰的位置的軌跡圖(并不是所有峰值都達(dá)到 1),結(jié)果如圖1所示。顯然共振峰波長(zhǎng)與入射角呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。對(duì)于+θ和-θ,共振峰的波長(zhǎng)都隨著入射角的增加逐漸減小。為了更好地顯示獲得的結(jié)果,畫出其波長(zhǎng)差λ(-θ)-λ(+θ)隨入射角變化圖。該值λ(-θ)-λ(+θ)表明了非互易性的強(qiáng)度,其在 0~40°的范圍內(nèi)大致呈線性關(guān)系,在 50°之后基本保持不變。這些結(jié)果使得我們可以通過(guò)控制入射角來(lái)調(diào)節(jié)非互易性傳輸。

        圖1 雙峰波長(zhǎng)隨入射角的變化Fig.1 The change of bimodal wavelength with incident angle

        由于非互易性傳輸波長(zhǎng)與入射角有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,非互易通道對(duì)于每一個(gè)固定的波長(zhǎng)也可以是空分的(入射方向)。據(jù)此,畫出對(duì)應(yīng)于不同入射角的波長(zhǎng)通道和對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)的空分通道的消光比,結(jié)果如圖2所示。對(duì)于每一個(gè)入射角,都有1對(duì)正的最大值和負(fù)的最大值,表示 2個(gè)方向相反的波長(zhǎng)通道。同樣的,對(duì)于每一個(gè)入射波長(zhǎng),都有 1對(duì)正的最大值和負(fù)的最大值,表示 2個(gè)方向相反的空間通道。圖中所有峰值都接近 1或-1,表明這些非互易性通道有著良好的性能。

        圖2 不同入射角對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)通道的消光比Fig.2 The extinction ratio of wavelength channel corresponding to different incident angles

        接下來(lái),我們研究透射峰隨金屬層厚度的變化關(guān)系。除了金屬層,其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)均與圖 2中的一樣,dD′ = 1.42dD,入射角為±θ=45°。透射峰隨金屬層厚度的變化如圖3所示。2個(gè)方向?qū)?yīng)的透射峰波長(zhǎng)都隨著金屬層厚度的增加而減小,但是它們的波長(zhǎng)差基本不變。

        此外,我們還考慮了周期數(shù)對(duì)傳輸?shù)挠绊?。周期?shù)的增加會(huì)使非互易性透射峰變窄,但是位置基本不變。

        圖3 雙峰波長(zhǎng)隨金屬層厚度的變化Fig.3 The bimodal wavelength varies with the thickness of the metal layer

        為了直接顯示和證明非互易性共振隧穿效應(yīng),我們使用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics來(lái)模擬電磁波在此結(jié)構(gòu)中的傳播。根據(jù)圖中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相同的入射角,畫出入射光的磁場(chǎng)外平面分量的分布圖,如圖 4所示。在+θ時(shí)的 A+,光沒(méi)有反射地完全通過(guò)此結(jié)構(gòu)。在金屬和 MPC的界面上可以看到強(qiáng)烈的磁場(chǎng)的增強(qiáng);而對(duì)于-θ時(shí)的 A+,光幾乎全部反射,因此在右邊的空氣區(qū)域中出現(xiàn)明顯的干涉圖案。對(duì)于±θ時(shí)的另一個(gè)峰 A-,也畫出了模擬圖。這些場(chǎng)分布圖跟之前的結(jié)論很好地吻合,說(shuō)明了結(jié)果的正確性。

        圖4 波長(zhǎng)A+和A-的入射光對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分布圖仿真圖Fig.4 Simulation diagram of magnetic field distribution corresponding to incident light of wavelength A+and A-

        在實(shí)際應(yīng)用中,我們必須考慮金屬損耗的影響。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)參數(shù) dD′ = 1.42dD和入射角±θ=45°,畫出γ= 1.45×1 013s-1下不同周期數(shù) n對(duì)應(yīng)的透射譜,如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于2個(gè)相反方向,仍然分別存在相對(duì)較小的透射峰。峰的位置基本不隨 n變化。周期數(shù)越小,峰值越小。然而,透射峰的寬度隨著周期數(shù)的減小而增大,從而導(dǎo)致消光比的減小。圖 6畫出了 n=7和n=11時(shí)的消光比。對(duì)于 n=7,最大消光比為 0.72和-0.7124,分別位于λ= 1 452.7nm 和λ= 1 472.14nm。對(duì)于 n=11,最大消光比為 0.9和-0.915,分別位于λ= 1 452.7nm和λ= 1 469.8nm。因此,周期數(shù)大的時(shí)候的消光比要比周期數(shù)小的時(shí)候的消光比大。很明顯,此時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)了非互易性傳輸。

        圖5 入射光的磁場(chǎng)外平面分量的分布圖Fig.5 Distribution of the magnetic field surface components of incident light

        2 結(jié) 論

        推導(dǎo)出TM波在外磁場(chǎng)Voigt效應(yīng)下的磁光材料中傳播時(shí)的傳輸矩陣,得到了研究?jī)煞菍?duì)稱磁 Tamm等離子體激元(TMP)結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣和透射率、場(chǎng)分布的計(jì)算方法,設(shè)計(jì)了由2個(gè)不同MPC中間嵌著一金屬層的耦合系統(tǒng)。根據(jù)上述方法研究?jī)煞菍?duì)稱磁Tamm 等離子體激元的耦合模式的特性,實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的非互易性傳輸通道。研究結(jié)果有望為設(shè)計(jì)光隔離器和光二極管提供指導(dǎo)。

        圖6 γ= 1.45 ×1 01 3s -1時(shí)的透射譜與消光比Fig.6 Projection spectrum to extinction ratio of γ=1.45 ×1 01 3 s-1

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