应用人工电磁材料实现对电磁波单向传输的调控

Controlling the movement of the light or electromagnetic wave is the key problem in photonic technology. The recent discovery of chiral edge state in magnetic photonic crystals and the corresponding unidirectional wave propagation provide a new way to regulate the movement of the light. .This proposal is designed to study (1)topological structure and frequency characteristics of the one-way propagation in magnetic photonic crystal, (2) one-way propagation by non-magnetic artificial structure and metamaterials, and (3) one-way propagation in millimeter wave or THz bands. The main purposes of the study are to realize one-way propagation in higher frequencies and more wide frequency band. The study will help people to deepen the understanding of the interaction of light and material, and the nature of the light, to explore the new physical mechanism for time-reversal symmetry broken and look for new topological structure for unidirectional electromagnetic wave propagation. The study is also important for designing new optoelectronic and microwave devices with low loss working in a wide band and higher frequencies.

如何实现对光（电磁波）的操控是光子技术中的核心问题。最近发现的磁性光子晶体中的手性边界态及相应的电磁波单向传播为实现对光的调控提供了一种新的途径。本项课题旨在通过对（1）磁性光子晶体单向传输的频率特性，（2）非磁性人工结构和超常材料中的单向传输，（3）毫米波或THz波段电磁波单向传输等问题的研究，理解光和物质的相互作用本质，探索时间反演对称性破缺的新物理机制，寻找新的拓扑序结构材料实现电磁波的非互易传播，实现在更高的频率，更宽的频带上的电磁波单向传输。其研究结果对于加深了人们对光的传播过程与人工结构材料拓扑结构和各种对称性关系的认识，理解光的本质；对于单向传输的应用，设计出高频率、宽频带、低损耗的新型光电子与微波器件均有着重要的意义。

对光或电磁波调控的研究一直是信息科学技术领域中的重要课题。光子能携带更多的信息等的优点，为其在通信等信息产业中的应用开辟了广阔的应用前景。人工电磁材料是实现对电磁波调控的主要技术手段之一，近年来在光子晶体等人工电磁材料中发现的单向边界态和单向体模等新现象，为实现对电磁波的调控提供了新的手段。.本课题主要研究了磁性人工媒质的拓扑结构对电磁波单向传输特性的影响（包括单向边界态和单向体模）以及对单向边界态频率特性的调控和宽频带单向波导设计与实现，非磁性人工结构的对称性对电磁波非互易性传播的影响以及具有单向传输性质的人工结构的设计以及传输特性的研究等。.通过研究我们取得了以下的主要研究结果：（1）发现在磁性光子晶体中由磁等离激元共振激发起的单向表面波模式可以实现磁场几十倍的增强。它为实现电磁波中磁场分量利用提供了一个新的可能方法。（2）通过拓扑边界态（CES）和等离子激元（MSP）边界态的频率融合实现了宽频带单向传输。微波段的实验结果表明单向波导带宽达2GHz。发现了磁性链结构中的单向传输现象，设计了磁性链结构的宽带单向波、延迟线等器件，为单向边界态的实际应用提供了工程原型。（3）在一类具有空间不对称性的二维磁性光子晶体发现了自准直的单向体模，电磁波以波束的形式按特定方向单向传播，传播方向受到偏置磁场的控制。特别是当偏置磁场具有梯度分布时，波束可以在光子晶体中按曲线传播。实验证明了光子晶体的单向体模以及该模式电磁波具有不同的手性。它为用人工电磁材料控制电磁波的传播提供了新的实现方法。（4）用陶瓷介质设计了一种具有强非互易传输特性六角点阵的光子晶体，在微波段实验观测到了当电磁波从两个相反方向入时完全不同的传输性质，实现了在非磁性人工材料中电磁波单向传输。为在毫米波乃至光波段实现电磁波的单向传输和单向器件设计提供了一种实现方法。