一种引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器.pdf

本发明公开了一种引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器，包括低折射率背景介质中的第一介质材料柱阵列的二维三角晶格光子晶体，还包括三个光子晶体分支波导和三个端口，三个光子晶体分支波导分别对应三个端口，该三个端口分别分布于光子晶体外围；三个光子晶体分支波导中心交汇处设置一个第二介质材料柱；在第二介质材料柱的周围分别设置三个相同的磁光材料柱，三个磁光材料柱以120°角旋转对称分布于三个分支波导交叉中心的周围，且每个磁光材料柱位于其所在分支波导的中轴线上，电磁波信号从任意一端口输入，将从相邻的下一端口输出，另一端口为隔离状态以进行单方向光环行传输。本发明结构紧凑、易于其它光子晶体器件实现集成。

权利要求书
1.  一种引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器，其包括低折 射率背景介质中的第一介质材料柱阵列的光子晶体，所述光子晶体为 二维三角晶格光子晶体，每一个第一介质材料柱占据三角晶格的一个 晶格，其特征在于，还包括三个光子晶体分支波导和三个端口，所述 三个光子晶体分支波导分别对应三个端口，该三个端口分别分布于光 子晶体外围端面；所述三个光子晶体分支波导中心交汇处设置一个第 二介质材料柱；在所述第二介质材料柱的周围分别设置三个相同的磁 光材料柱，所述三个磁光材料柱以120°角旋转对称分布于三个分支波 导的交叉中心的周围，且每个磁光材料柱位于其所在分支波导的中轴 线上，电磁波信号从任意一端口输入，将从相邻的下一端口输出，另 一端口为隔离状态以进行单方向光环行传输；所述环行器主体为低 折射率背景介质中的一个二维“Y”形光子晶体波,所述“Y”形光子晶体 波导由三角晶格排布的二维第一介质材料柱构成。

2.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述低折射率背景介质为空气、真空、二氧化硅、 氟化镁，或者折射率小于1.5的介质材料。

3.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述第一介质材料柱的横截面为圆形、正三角形， 或者正多边形；所述第一介质材料柱的材料为硅、砷化镓、二氧化钛、 氮化镓，或者折射率大于2的介质材料。

4.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述三个光子晶体分支波导为“Y”形光子晶体波导。

5.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述三个光子晶体分支波导由光子晶体中分别沿水 平负方向、与水平成-60°角方向和与水平成60°角方向移去若干个第 一介质材料柱，并将位于60°与和180°之间外侧的光子晶体整体沿 120°轴向外平移距离b，将位于180°和300°之间外侧的光子晶体整体 沿240°轴向外平移距离b，将位于-60°和60°之间外侧的光子晶体整 体沿0°轴向右平移距离b，构成三个交叉呈120°角旋转对称分布的光 子晶体分支波导，所述

6.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环 行器，其特征在于，所述三个光子晶体分支波导的长度为na，宽度 为所述a为光子晶体的晶格常数，n为不小于4的整数。

7.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述第二介质材料柱为光子晶体引导柱，其中部与 三个顶部的连线分别沿水平负方向、与水平成-60°角方向和与水平成 60°角方向。

8.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述第二介质材料柱横截面为正三角形；所述第二 介质材料柱为硅材料、砷化镓、二氧化钛、氮化镓或折射率大于2的 介质材料。

9.  按照权利要求1所述的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，其特征在于，所述三个磁光材料柱为铁氧体材料，其横截面为圆 形。

说明书一种引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器
技术领域
本发明属于微型环行器技术领域，具体涉及一种引入三角柱引导 多个耦合的磁光材料柱的三端口光子晶体磁光环行器。
背景技术
随着科技与经济技术发展要求，大规模集成光路系统受到人们广 泛关注和研究。在光路中，集成度的增加将导致元件之间信号的干扰 显著增强，干扰严重情况下，光路甚至无法完成正常的逻辑功能。
对于光器件微型化、集成化方面，光子晶体具有明显优势。光子 晶体是一种介电常数或磁导率在空间呈周期或准周期排列的微型材 料，它可使得一定频段的电磁波不能在其中传播，从而形成光子带隙。 利用这种带隙效应，在光子晶体中引入缺陷就能实现对光子的操控， 就如在半导体材料中对电子的操控一样。光子晶体器件具有许多传统 光学器件无法比拟的特性，如设计灵活、尺寸小、性能优越、易于集 成等。近些年，在光子晶体结构中引入磁光材料来实现各类微型磁光 环行器，对于环行器的功能丰富、性能优化、结构扩展等方面具有重 要应用价值。
现有的几类三端口光子晶体磁光环行器，无论是基于空气衬底- 介质柱型还是基于介质衬底-空气柱型结构，人们一般仅利用单个磁 光腔或者是单个磁光材料柱来实现电磁波传播方向的非互易性偏转， 它们在工作性能方面存在一定局限性。因此，三端口环行器研究需要 在结构类型、功能应用等方面做进一步改进与拓展，特别是研发高隔 离度、低插入损耗的宽频带光子晶体磁光环行器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构紧凑、易 于集成、具有高隔离度，实现信号在器件中三端口间的单方向光环行 传输，获得性能优良的宽频带三端口光环行器。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
本发明的引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器包括低折射率背 景介质中的第一介质材料柱阵列所构成的光子晶体，所述光子晶体为 二维三角晶格光子晶体，每一个第一介质材料柱占据三角晶格的一个 晶格；所述三端口光环行器还包括三个光子晶体分支波导和三个端 口，所述三个光子晶体分支波导分别对应三个端口，该三个端口分别 分布于光子晶体外围端面；所述三个光子晶体分支波导中心交汇处设 置一个第二介质材料柱；在所述第二介质材料柱的周围分别设置三个 相同的磁光材料柱，所述三个磁光材料柱以120°角旋转对称分布于 三个分支波导的交叉中心的周围，且每个磁光材料柱位于其所在分支 波导的中轴线上，电磁波信号从任意一端口输入，将从相邻的下一端 口输出，另一端口为隔离状态以进行单方向光环行传输；所述环行器 主体为低折射率背景介质中的一个二维“Y”形光子晶体波,所述“Y”形 光子晶体波导由三角晶格排布的二维第一介质材料柱构成。
所述低折射率背景介质为空气、真空、二氧化硅、氟化镁，或者 折射率小于1.5的介质材料。
所述第一介质材料柱的横截面为圆形、正三角形，或者正多边形； 所述第一介质材料柱的材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化镓，或者 折射率大于2的介质材料。
所述三个光子晶体分支波导为“Y”形光子晶体波导。
所述三个光子晶体分支波导由光子晶体中分别沿水平负方向、与 水平成-60°角方向和与水平成60°角方向移去若干个第一介质材料 柱，并将位于60°与和180°之间外侧的光子晶体整体沿120°轴向外平 移距离b，将位于180°和300°之间外侧的光子晶体整体沿240°轴向 外平移距离b，将位于-60°和60°之间外侧的光子晶体整体沿0°轴向 右平移距离b，构成三个交叉呈120°角旋转对称分布的光子晶体分支 波导，所述 b = 3 a / 3 . ]]>
所述三个光子晶体分支波导的长度为na，宽度为所述 a为光子晶体的晶格常数，n为大于等于4的整数。
所述第二介质材料柱为光子晶体引导柱，其中心与三个顶点的连 线分别沿水平负方向、与水平成-60°角方向和与水平成60°角方向。
所述第二介质材料柱的横截面为正三角形；所述第二介质材料柱 的材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化镓，或者折射率大于2的介质 材料。
所述三个磁光材料柱为铁氧体材料，其横截面为圆形。
本发明的光子晶体环行器广泛适用于任意电磁波波段，如微波波 段、毫米波波段、太赫兹波段、红外波段或者可见光波段等。它与现 有技术相比，具有如下积极效果。
1.利用磁光材料的非互易特性,实现光器件中传输端口间的信号 单方向环行功能，它能够有效防止信号回流、消除信号相互串扰、确 保光路系统正常运作，是集成光路中不可缺少的功能优化器件。
2.引入三角引导柱有效地耦合多个磁光材料柱，设计出性能优良 的宽频带三端口光子晶体磁光环行器，实现信号在器件中三端口间 的单方向光环行传输功能。
3.具有高隔离度、低插入损耗、工作频带宽的特点，为光子晶体 逻辑集成光路优化充分提供优良功能的环行器需求。
4.设计空气衬底-介质柱结构的光子晶体磁光环行器，具有形态 简明、结构紧凑、制备方便，能够与目前广泛应用的光子晶体器件实 现有效匹配与集成。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的阐述。
图1为本发明引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器的结构 示意图。
图中：空气背景01第一介质材料柱02第二介质材料柱03磁 光材料柱A磁光材料柱B磁光材料柱C第一端口11第二端口12 第三端口13分支波导宽度w
图2为本发明引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器的计算 曲线例图。
图3为本发明引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器第一种 的光传输示意图。
图4为本发明引入三角引导柱的宽频带三端口光子晶体环行器 的第二种光传输示意图。
图5为本发明引入三角引导柱的宽频带三端口光环行器的第三 种光传输示意图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明引入三角引导柱的宽频带三端口光环行 器，包括低折射率背景介质，所述低折射率背景介质为空气背景01， 空气背景01中的第一介质材料柱阵列的光子晶体为二维三角晶格光 子晶体，每一个第一介质材料柱02占据三角晶格的一个晶格，所述 光子晶体的晶格常数a选取为10.0mm。所述环行器主体为低折射率 背景介质中的一个二维“Y”形光子晶体波,所述“Y”形光子晶体波导由 三角晶格排布的二维第一介质材料柱02构成。所述第一介质材料柱 02的横截面形状采用圆形，圆形的半径为r1＝2.0mm，其采用硅材料， 折射率为3.4。在所述光子晶体中，分别沿水平负方向、与水平成-60° 角方向和与水平成60°角方向移去若干个第一介质材料柱02，并将位 于60°与180°之间外侧的光子晶体整体沿120°轴向外平移距离b，将 位于180°与300°之间外侧的光子晶体整体沿240°轴向外平移距离b， 将位于-60°与60°之间外侧的光子晶体整体沿0°轴向右平移距离b (其中a为光子晶体的晶格常数)，构成三个交叉且呈 120°角旋转对称分布且宽度w为的光子晶体分支波导。所述 三个光子晶体分支波导的长度为na，n为大于等于4的整数。上述三 个光子晶体分支波导呈“Y”形排布构成一个“Y”形光子晶体波导。
在所述光子晶体的中心位置，即三个光子晶体分支波导的交叉连 接点处引入一个起引导作用的第二介质材料柱03，即光子晶体引导 柱，其中心与三个顶点的连线分别沿水平负方向、与水平成-60°角方 向和与水平成60°角方向；所述第二介质材料柱03的横截面形状采用 正三角形，其采用硅材料，折射率为3.4。在所述第二介质材料柱03 分别沿水平负方向、与水平成-60角方向、与水平成60°角方向上引 入一个相同磁光材料柱A、B和C，所述三个磁光材料柱A、B和C 以120°角旋转对称分布于三个分支波导的交叉中心的周围，且每个 磁光材料柱位于其所在分支波导的中轴线上。所述磁光材料柱A、B 和C的横截面形状分别采用圆形，且每个圆形与第二介质材料柱03 的中心距离都为0.65a，即6.5mm。磁光材料柱A、B和C的材料分 别采用铁氧体材料，介电常数为12.9，磁导率张量为：
[ μ ] = μ 0 μ r jκ 0 - jκ μ r 0 0 0 1 , ]]>
其中κ＝ωmω/(ω02-ω2)，μr＝1+κω0/ω，ω0＝μ0γH0,ωm＝μ0γMs， γ＝1.759×1011C/kg，Ms＝2.39×105A/m。对磁光材料柱A、B和C施 加的磁场为H0＝3.45×105A/m。
所述“Y”形光子晶体环行器包括三个端口，分别为第一端口11、 第二端口12和第三端口13，所述三个端口分别对应三个光子晶体分 支波导，该三个端口分别分布于光子晶体外围端面。
进一步地，对所述“Y”形光环行器的结构参数进行优化：设置电 磁波信号从第一端口11入射，分别在第二端口12和第三端口13设 置探测线得到相应端口的电磁波信号功率，第二端口12的插入损耗 为10log(P输入/P输出)，第三端口13的隔离度为10log(P输入/P隔离)，其中 P输入、P输出和P隔离分别为输入端口，即第一端口11探测的信号功率、 输出端口，即第二端口12探测的信号功率和隔离端口，即第三端口 13探测的信号功率。通过优化所述第二介质材料柱03的正三角形边 长、磁光材料柱A、B和C的圆柱半径，获得三端口光环行器的插入 损耗和隔离度计算曲线如图2所示。在图2中，虚线和实线分别代 表不同频率下计算的第二端口12的插入损耗和第三端口13的隔离 度，即虚线对应环行器的插入损耗，实线对应环行器的隔离度。
图2表明，该光环行器具有较宽工作频率，为9.8GHz至10.0GHz， 该频段内的第二端口12的插入损耗低至0.0354dB，第三端口13的 隔离度高达23.1dB。所述第二介质材料柱03的正三角形边长优化为 2.7mm，所述磁光材料柱A、B和C的圆柱半径优化为2.7mm。
由于结构旋转对称性，上述结构参数优化同样适用于电磁波信号 从第二端口12入射，或者从第三端口13入射的情况下，获得环行器 的插入损耗和隔离度计算曲线与图2结果相同。
根据上述优化结果检验三端口光环行器的工作性能：
参照图3，选择9.8GHz至10.0GHz频段内任意某一频率的电磁 波，如频率为9.95GHz的电磁波从第一端口11入射，磁光材料柱A 和B分别先后对电磁波实施60°角旋转，最后电磁波从第二端口12 输出，第二端口12的插入损耗为0.0354dB。其中光子晶体中的第二 介质材料柱03引导磁光材料柱A和B有效进行耦合。第三端口13 处于光隔离状态，其中磁光材料柱C对第三端口13具有信号隔离的 作用，第三端口13的隔离度为23.1dB。
参照图4，选择频率为9.95GHz的电磁波从第二端口12入射， 磁光材料柱B和C分别先后对电磁波实施60°角旋转，最后电磁波从 第三端口13输出，第三端口13的插入损耗为0.0354dB。其中光子 晶体中的第二介质材料柱03引导磁光材料柱B和C有效进行耦合。 第一端口11处于光隔离状态，其中磁光材料柱A对第一端口11具 有信号隔离的作用，第一端口11的隔离度为23.1dB。
参照图5，选择频率为9.95GHz的电磁波从第三端口13入射， 磁光材料柱C和A分别先后对电磁波实施60°角旋转，最后电磁波从 第一端口11输出，第一端口11的插入损耗为0.0354dB。其中光子 晶体中的第二介质材料柱03引导磁光材料柱C和A有效进行耦合。 第二端口12处于光隔离状态，其中磁光材料柱B对第二端口12具 有信号隔离的作用，第二端口12的隔离度为23.1dB。
该光环行器可以实现三端口间的单方向光环行传输，即三端口中 从任意一端口输入的电磁波信号将按照同一旋转方向从相邻的下一 端口输出，的另一端口为隔离电磁波信号端口。
本发明的三端口光环行器并不局限于以上所述实施方式，如本 领域技术人员根据本发明所揭示的技术方案，并根据光子晶体等比例 缩放原理，即环行器的工作波长与光子晶体晶格常数、光子晶体中的 第一介质材料柱和第二介质材料柱的尺寸、以及磁光材料柱的尺寸等 参数的关系满足正比关系以选择相应材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等， 均应包含在本发明的保护范围之内。