磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用与解复用器.pdf

本发明是一种基于磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用/解复用器。其中二维三角晶格介质柱型光子晶体(1)是由方形介质柱按三角晶格排列，沿X-Z平面周期性分布的光子晶体，介质柱材料为硅，背景材料为空气；输入主波导区(2)由移除一排介质柱构成，TE模输出波导区(3)由一排掺Bi复合稀土铁石榴石单晶(TbYbBiIG)材料介质柱构成,而TM模输出波导区(4)由三排填充磁光TbYbBiIG材料的介质柱形成。TE模输出波导区与TM模输出波导区分别位于输入主波导区的右侧与上侧，这一区域为模式解复用区域。

权利要求书
1.  一种磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用与解复用器，其特征在于 该模分复用与解复用器包括二维三角晶格硅光子晶体(1)、输入主波导区(2)、 TE模输出波导区(3)、TM模输出波导区(4)；其中，二维三角晶格光子晶体(1) 是沿X-Z平面周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维三角晶格硅光子晶体 (1)中移除一排介质柱构成输入主波导区(2)；在二维三角晶格硅光子晶体(1) 中引入一排掺Bi复合稀土铁石榴石单晶TbYbBiIG介质柱构成TE模输出波导区 (3)；在二维三角晶格硅光子晶体(1)中引入三排TbYbBiIG介质柱形成TM模 输出波导区(4)；TE模输出波导区与TM模输出波导区分别位于输入主波导区的 右侧与上侧，这一区域为模式复用与解复用区域。

2.  根据权利要求1所述磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用与解复 用器，其特征在于：所述的模分复用与解复用器通过控制外加磁场的方向与磁场 强度，使得模分复用与解复用区域发生磁光效应，调节所填充磁控可调谐材料 TbYbBiIG的磁导率，改变TE和TM模式的能带分布，从而实现TE和TM模式的 模分复用与解复用。

说明书磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用与解复用器
技术领域
本发明是一种基于磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用/解复用器， 尤其是一种光通信波段的TE/TM模式模分复用/解复用器，涉及光通信与光信息 处理的技术领域。
背景技术
目前，大容量数据传输是人们面临的一大问题，模分复用正是解决这一问题 的关键技术。模分复用技术是一种崭新的光多输入多输出传输形式，利用有限的 稳定模式作为独立信道传递信息，可以成倍地提高系统容量和频谱效率。而磁光 晶体是具有磁光效应的材料，可利用磁光晶体的特殊性质，将其应用于未来的模 分复用光通信领域。模分复用光通信系统中关键器件之一是模分复用/解复用器， 基于磁光效应的光子晶体模分复用/解复用器，不仅可以满足大容量数据传输的 需求，并且其尺寸仅在微米量级，对于未来的光集成系统有着潜在的应用价值。
该光子晶体模分复用/解复用的机制是利用磁光晶体的磁光效应。当给磁光 晶体施加外磁场时，由于磁光效应，导致磁导率发生改变，进而引起折射率的变 化。对于TE模式，外磁场方向沿y方向时，因为磁场方向与TE模的磁场分量Hz方 向垂直，引起周围磁偶极子的运动，磁导率发生改变。同理，对于TM模式，只有 当外磁场方向沿z轴时，磁导率才随着磁场的改变而变化。利用不同模式受磁场 控制的差异性可以实现基于磁光效应的光子晶体模分复用/解复用器。
基于磁光效应的光子晶体模分复用/解复用器具有以下优势：器件尺寸小、 仅有微米量级，易于光学集成、插入损耗低，模式之间的串扰小、稳定性和可靠 性高。
二维三角晶格光子晶体模分复用/解复用器是通过在光子晶体的两条分束波 导处引入填充磁光材料TbYbBiIG的介质柱来实现的。当z，y方向的外加磁场分别 施加在TE与TM模式的输出波导处时，其填充的磁光材料的磁导率会随着磁场强度 的变化而变化，使得两条分束波导中TE,TM模式的能带分布发生差异性的变化， 使之分别位于禁带与通带，进而控制TE与TM模式的传输，实现了基于磁光效应的 二维三角晶格光子晶体模分复用/解复用器。
发明内容
技术问题：本发明目的是提出一种基于磁光效应的二维三角晶格光子晶体模 分复用与解复用器，利用磁光效应，实现了TE,TM两个模式之间的模分复用/解 复用，增大了光波导的传输容量。
技术方案:为了适应高集成、大容量光通信系统的发展，在光波导中同时传 输多个模式的光信号，本发明提出了一种基于磁光效应的二维三角晶格光子晶体 模分复用与解复用器，使其能够分离两个模式，具有实际的应用价值。传统的光 子晶体波导器件仅仅能进行一个模式的传输，譬如基于微腔耦合的波分复用系 统；而在光子晶体偏振分束器中，虽然已经有关于TE/TM模式的偏振分束设计， 但其不具备分束传输通道以及理想的性能参数，限制了实际应用。本专利采用两 种方式构成波导：一是移除介质柱形成线缺陷构成波导；二是引入填充磁光材料 TbYbBiIG的介质柱形成波导。再辅以选取合适的波导长度及宽度，从而实现高 效的基于磁光效应的光子晶体模分复用/解复用器，其TE和TM模式的透射率均 高于92％，信道隔离度分别为19.7dB和42.1dB。
基于磁光效应的光子晶体模分复用与解复用器包括二维三角晶格介质柱型 光子晶体、输入主波导区、TE模输出波导区、TM模输出波导区。TE模输出波导 和TM模输出波导分别位于主输入波导的右侧和上侧，分别在TE，TM模输出波导 处施加沿z，y方向的外加磁场。外加磁场由通电螺旋线圈提供。在光子晶体平 板上下端面设置磁极，在TE模输出波导处施加沿z轴的可调磁场Bz，在TM模 输出波导处施加沿y轴的可调磁场By。
该模分复用与解复用器包括二维三角晶格硅光子晶体、输入主波导区、TE 模输出波导区、TM模输出波导区；其中，二维三角晶格光子晶体是沿X-Z平面 周期性分布的介质柱型硅光子晶体；在二维三角晶格硅光子晶体中移除一排介质 柱构成输入主波导区；在二维三角晶格硅光子晶体中引入一排掺Bi复合稀土铁 石榴石单晶TbYbBiIG介质柱构成TE模输出波导区；在二维三角晶格硅光子晶体 中引入三排TbYbBiIG介质柱形成TM模输出波导区；TE模输出波导区与TM模输 出波导区分别位于输入主波导区的右侧与上侧，这一区域为模式复用与解复用区 域。
所述的模分复用与解复用器通过控制外加磁场的方向与磁场强度，使得模分 复用与解复用区域发生磁光效应，调节所填充磁控可调谐材料TbYbBiIG的磁导 率，改变TE和TM模式的能带分布，从而实现TE和TM模式的模分复用与解复用。
该模分复用/解复用器的解复用过程是：两束1.55μm波段的TE，TM光同 时沿着主波导入射，TE模输出波导受外加磁场Bz控制，对于TE模式，其介质 柱磁导率发生改变，此时TE光位于通带；而对于TM模式磁导率不发生改变，此 时TM模位于禁带。因此，仅有1.55μm的TE光能够通过TE模式输出波导输出。 同理，TM模输出波导受外加磁场By控制，仅对于TM光，其介质柱的磁导率发 生变化，而对于TE模式磁导率不发生改变，即只有TM光可通过TM模输出波导 传输。这样便实现了两种模式的解复用，复用过程是解复用的逆过程。
有益效果：本发明提出的一种磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用与 解复用器，可以实现TE/TM模式的复用/解复用。在具有较宽完全带隙的二维三 角晶格光子晶体中，引入主波导区可以实现1.55μm波段的TE与TM光同时传输， 引入填充磁光材料TbYbBiIG的介质柱构成模分解复用波导可以实现TE与TM光 的模分解复用，其TE和TM模式的透射率均高于92％，信道隔离度分别为19.7dB 和42.1dB。同时，填充TbYbBiIG材料的磁光晶体在近红外波段具有法拉第增强 效应和很小的光吸收损耗，性能稳定。因此，该器件能够很好的满足未来高集成、 大容量的模分复用光通信系统的需求。
附图说明
图1为本发明提出的基于磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用与解复 用器的结构图，图1中：二维三角晶格介质柱型光子晶体1、输入主波导区2、TE 模输出波导区3、TM模输出波导区4。
图2a为解复用时的TE模光束的传播时域稳态图，
图2b为解复用时的TM模光束的传播时域稳态图。
具体实施方式
磁光效应的光子晶体模分复用与解复用器包括二维三角晶格光子晶体1、输 入主波导区2、TE模输出波导区3、TM模输出波导区4；其中，二维三角晶格光 子晶体1是沿X-Z平面周期性分布的。输入主波导区2是通过移除一排介质柱构 成的，TE模输出波导区3是通过引入1×17个TbYbBiIG介质柱柱构成的，TM 模输出波导区4是通过引入3×11个TbYbBiIG介质柱构成的。在输入主波导区 2右侧引入TE模输出波导区3，在上侧引入TM模输出波导区4。本发明提出的 基于磁光效应的二维三角晶格光子晶体模分复用/解复用器传输波长为 1.55μm。
具体参数为：二维三角晶格光子晶体中的介质柱材料为硅(n＝3.4)，背景材 料为空气(n＝1)，晶格常数a1＝1.309μm，方形介质柱边长width1＝0.44μm，旋转 角度θ＝49°，TE模输出波导中TbYbBiIG介质柱折射率n2＝2.3,尺寸 width2＝0.44μm，晶格常数a2＝0.92μm，而TM模输出波导中TbYbBiIG介质柱的 尺寸和晶格常数均与硅介质柱相同。在光子晶体平板上下端面设置磁极，在TM 模输出波导处施加沿铁氧体柱y轴方向的可调磁场By，在TE模输出波导处施加 沿z轴方向的可调磁场Bz。当沿By和Bz的磁场强度均为10.5T时，由于磁光材 料TbYbBiIG产生磁光效应，使得磁导率随着外加磁场强度的变化而变化，导致 折射率发生相应变化。在TE模输出波导中，TM模式对应的磁导率变为2.19，即 折射率变为3.4,而TE模式对应的折射率不变为2.3。同理，在TM模输出波导中， TM模式对应的折射率不变为2.3，而TE模式对应的折射率变为3.4。
基于磁光效应的光子晶体模分解复用器的工作原理如下:线缺陷的引入，实 质是为1.55μm波段的TE与TM光传输提供主传输波导，使频率落在光子完全带 隙范围内的光波能够通过线缺陷。填充磁光材料TbYbBiIG的模分解复用波导在 外加磁场的控制下产生磁光效应，其磁导率随着磁场强度的变化而变化，引起折 射率的变化，进而改变了TE与TM模式分别在TE,TM模式输出波导中的能带分布 状态，通过控制这两个模式的传输可以实现TE/TM模式的解复用。
解复用过程如下:两束1.55μm波段的TE与TM光同时沿着输入主波导2 入射时:
(1)当TE模输出波导区3处施加沿z方向的外加磁场时，TM模式对应的折射率 变为3.4,而TE模式对应的折射率仍为2.3。此时TE模位于通带，TM模位于 禁带，因此TE光可通过TE模输出波导区3传输，如图2(a)所示。此时TE 模的透射率为93％，信道隔离度为19.7dB。
(2)当TM模输出波导区3处施加沿y方向的外加磁场时，TE模式对应的折射率 变为3.4,而TM模式对应的折射率仍为2.3。此时TM模位于通带，TE模位于 禁带，因此TM光可通过TM模输出波导区4传输，如图2(b)所示。此时TM 模的透射率为92.4％，信道隔离度为42.1dB。