关于单向通光与光路可逆的几个物理问题的思考

关于单向通光与光路可逆的几个物理问题的思考

高华;魏果果;许玲玲;张强

【摘要】单向通光,俗称光二极管,是指只允许光波从一个入射方向上通过,从反方向入射则全部被截止,它是实现光计算、光互联等功能中非常重要的一个基本光学元件.但是在线性和非磁性材料中,光的可逆原理却要求光的传播途径是可逆的.由此我们提出以下问题:在线性和非磁性材料中,单向通光是否可以获得？如果可以获得,其获得的途径又是什么？单向通光与光路可逆的关系如何？围绕这些基本的物理问题,文章以光栅基底发生的波导模式共振为机制,设计并成功获得了多频率点光波的单向通光效果.并以此为例证明在线性和非磁性系统中光的非对称透射依然存在,它并没有打破光路可逆原理.通过进一步分析得出了在这种系统中,光的单向通效果来源于光传播路径中非对称的传输通道的结论.

【期刊名称】《大学物理》

【年(卷),期】2018(037)004

【总页数】5页(P23-26,30)

【关键词】单向通光;光路可逆原理;通道效应

【作者】高华;魏果果;许玲玲;张强

【作者单位】中国地质大学(北京)数理学院,北京 100083;首都师范大学物理系,北京 100048;中国地质大学(北京)数理学院,北京 100083;北京市铁路第二中学,北京100045;北京市铁路第二中学,北京 100045

【正文语种】中文

【中图分类】O439

单向通光元件，也就是光二极管，因其在现代光学通信以及未来的光计算方面的潜在应用,得到科研工作者越来越多的关注[1,2]. 传统获得单向通光的方法是利用法拉第效应或者非线性效应，用磁光材料或非线性材料打破时间反演对称性从而得到非对称透射[3,4].但是，这些方法不仅需要强磁场或强光场，而且设备庞大复杂，在

现代集成光路中难以适用.尤其是当硅基纳米光子学出现以后，要在芯片上以前所

未有的微小尺度建立光学集成系统，研制与之适应的微纳尺度的光二极管单向通元件就变得越来越迫切.近些年，科研工作者把研究热情投向了线性材料和非磁性材

料微纳尺度的非对称透射上.

但是，在线性和非磁性材料系统中，光的传输又受到光路可逆原理的限制.光的可

逆原理是指在线性和非磁性介质中，当光源和探测点的位置互换时，具有确定偏振态的单色光的透射特性保持不变[5].光路可逆是中学和大学物理教学体系中一个非常重要的内容，已经在学生的脑海中根深蒂固.它给我们最直接的印象就是如果光

线能够从A点传播到B点，那么，反向入射时，光波就一定能够从B点传播到A 点.正如图1所示，如果站在墙右侧的小明看到了墙左侧的猫的行为，那么墙左侧

的猫也一定能够知道小明在看着它，因为光路是可逆的.于是，我们不禁要问在线

性和非磁性材料中如何获得光的单向通呢？光二极管是不是就不可实现了呢？在文献[6]中,作者报道在双层金属光栅(线性和非磁性材料)的结构中实现了0级的不可

逆性，打破了光的可逆原理.然而，这种提法很快就被证明是不对的[7,8].此文章所提出的金属结构依然是遵从光的可逆原理的，单向通效应应归因于光栅高衍射级的非对称传输.我们关心的是，文献[6]整个系统是非磁性的，也没有激发非线性效应，光路可逆原理对高阶光波的传输依然是成立的，那么它的单向通效果如何获得？在这篇文章中，我们将明确回答这些问题，阐明单向通光和光的可逆原理之间的基本

关系问题.

图1 光路可逆举例示意图(摘自辽宁省本溪市2010年物理中考试题)

1 非对称传输的通道效应

为了回答上述的物理问题，本文精心设计并给出了如图2所示的光波的非对称传

播通道，方框中为能够获得非对称透射效应的微纳结构或特殊材料，其两侧的光传输通道不对称，假设入射光正向入射时，出射光经各个通道沿不同的方向向外透射，透过率为各通道透过率之和，即T正=t1+t2+t3，其中t2的方向与反向入射的方向在一条直线上.光沿反向入射时，根据光的可逆原理，只要保证沿正向入射的反

方向也有透过率为t2的透射光，在这个传输通道上即遵从了光路可逆原理,与是否有其它方向的透射传输通道，以及每个通道的透过率是多少无关.这样，只要使得

其它方向的透射光被抑制(不违反光路可逆原理)，则反向透过率T反 = t2

两侧的光学通道不对称是可以实现非对称透射甚至单向通光的.至于如何抑制反方

向入射时其它通道的透射光，可以采取偏振控制、衍射控制、共振、单向吸收、相消干涉等多种机制加以控制，也可以由材料本身的特性所决定.

图2 用非对称光学传输通道获得光的非对称透射示意图

2 光栅共振单向通效应

本节将以单向共振机制为例，说明在光路可逆的情况下，利用通道效应和光栅衍射，能够获得很好的单向通光效果.如图3(a)所示，单向通光结构是一个氮化硅(SiNx)

介质光栅，上侧刻有周期性的光栅槽. 光栅槽、光栅脊的宽度分别用a和b表示.

槽的深度和基底的厚度分别用h1和h2表示.为了方便，图中还建立了笛卡尔坐标系.入射波沿着y轴垂直入射，其中沿+y方向和-y方向入射的光分别称为正向入

射和反向入射.

首先，我们分析光波正向入射的情形，光波首先垂直地通过光栅基底(基底可以看

作是一个厚度为h2的平板介质层)，此介质是透明介质，除了少量光波被反射外，绝大多数的光波能量能够入射到光栅层，再经光栅作用产生各级衍射光，从光栅上方沿不同方向透射出去，其总的透过率为各衍射级衍射效率之和.而当光波反向入

射时，光波先到达光栅层，当各个衍射级的光入射到平板基底时，高衍射级的光携带了水平方向(x方向)的波矢，而当该波矢满足平板介质波导水平方向共振的波矢

匹配条件时，光波会在基底层发生波导模式共振，因而只在平面波导中传播. 这样高衍射级的透射被抑制，只有0级衍射光能够透射，光波的透过率只能取0级的

衍射效率，于是非对称光学传输就可以得到.若想得到单向透射，即T反=0，可调节光栅结构参数使得光栅0级衍射效率为0即可.

光栅结构和入射方向示意图

光栅正、反方向入射时其透射谱图(透过率为各衍射级衍射效率之和)图3

利用上述方法获得非对称透射或单向透射，光栅结构参数的选取至关重要.下面将

详细介绍光栅周期和光栅厚度等参数的选取情况.非对称透射的实现需要满足两个

条件，第一，光栅衍射必须有高衍射级出现，即光栅的周期必须要大于入射波长；第二，反向入射时，光栅基底能够发生导模共振，这就需要满足波矢匹配条件，即光栅衍射在水平方向上提供的波矢与基底层导模共振所需的水平波矢分量相等.我

们把光栅基底层近似为一个对称的空气/介质/空气三层波导结构，该结构波导的色散关系为[9]

h2

(1)

式中m为导模共振的模式数，β为波导模式所携带波矢的水平分量，h2和nd分别为基底层的厚度和折射率，k0=2π/λ为入射波的波矢，n1为平板波导外层介质