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1、(10)申请公布号 CN 104101948 A (43)申请公布日 2014.10.15 C N 1 0 4 1 0 1 9 4 8 A (21)申请号 201410363260.5 (22)申请日 2014.07.28 G02B 6/122(2006.01) (71)申请人欧阳征标 地址 518060 广东省深圳市南山区南海大道 3688号 申请人深圳大学 (72)发明人欧阳征标 金鑫 林密 王琼 文国华 (74)专利代理机构深圳市科吉华烽知识产权事 务所(普通合伙) 44248 代理人胡吉科 (54) 发明名称 基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行 器 (57) 摘要 本发明公开了一种。
2、基于光子晶体波导的超高 效紧凑十字型环行器，它包括一个四个端口的十 字交叉的光子晶体波导；所述的十字交叉光子晶 体波导中心放置一个方形磁光介质杆；所述位于 交叉波导中心的四个拐角处，分别设置四个方形 介质杆切角成为直角边与背景方形介质杆边长相 同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；所述拐 角介质杆与其对应格点位置的左边重合或不重 合；所述环行器的插入损耗为0.02dB1dB，其隔 离端与输入端的隔离度大于14dB。本发明结构体 积小，集成度高，电磁波传输效率高，便于集成而 且高效环行，可广泛应用于微波、太赫兹和光通信 波段。 (51)Int.Cl. 权利要求书2页 说明书8页 附图7页 (19)。
3、中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书8页 附图7页 (10)申请公布号 CN 104101948 A CN 104101948 A 1/2页 2 1.一种基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在于：其包括一个四个 端口的十字交叉的光子晶体波导；所述的十字交叉光子晶体波导中心放置一个方形磁光介 质杆；所述位于交叉波导中心的四个拐角处，分别设置四个方形介质杆切角成为直角边与 背景方形介质杆边长相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；所述拐角介质杆与其对应 格点位置的左边重合或不重合；所述环行器的插入损耗为0.02dB1dB，其隔离端与输入 端的隔离度大。
4、于14dB。 2.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在 于：所述光子晶体由高折射率介质杆在低折射率介质背景周期排列而成，或由低折射率介 质杆在高折射率介质背景中周期排列而成。 3.按照权利要求2所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在 于：所述高折射率介质材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化硅或折射率大于2的介质，低折射 率介质材料为空气、真空、二氧化硅、冰晶石、橄榄油或折射率小于1.6的介质。 4.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在 于：所述光子晶体波导的任意输入端输入的波沿顺时针或逆时针环行到相邻的与输入端波。
5、 导90度正交的输出波导端口，波的环行方向随外加磁场的方向而改变。 5.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在 于：所述磁光介质杆为铁氧体材料。 6.按照权利要求1或5所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征 在于：所述磁光介质杆的横截面为方形、矩形、圆形、椭圆形、环行、五边形、六边形、任意多 边形、任意闭合曲线。 7.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在 于：所述四个拐角介质杆的横截面为三角形、半圆形、半椭圆形、半多边形、或由一直边和曲 线形成的闭合图形。 8.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字。
6、型环行器，其特征在 于：所述光子晶体十字交叉波导的背景介质柱的横截面为三角形、圆形、半圆形、椭圆型、半 椭圆形、多边形、或闭合曲线。 9.按照权利要求3所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在 于：所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气 背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.3a，归一化频率为0.4121、分离 因子为0.7792、磁光介质柱边长为0.2817a、拐角介质柱中心距为1.2997a，所述环行器的 插入损耗为0.02dB，其中a为光子晶体的晶格常数，分离因子为磁光介质的磁导率张量的 第1行第2个量的绝对值与第1行第。
7、1个元素的值比值，归一化频率为a/2c，为圆 频率，c为真空中光速； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.3006a0.3045a，归一化频率 为(0.41030.4138)、分离因子为(0.77120.7906)、磁光介质柱边长为(0.2801a 0.2815a)、拐角介质柱中心距为(1.3224a1.3365a)或(1.2807a1.3122a)，所述环行 器的插入损耗小于0.05dB； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 权 利 要 求 书CN 10410。
8、1948 A 2/2页 3 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.28a0.3344a，归一化频率 为(0.40730.4160)、分离因子为(0.76340.8056)、磁光介质柱边长为(0.2745a 0.2863a)、拐角介质柱中心距为(1.2488a1.3852a)，所述环行器的插入损耗小于 0.2dB； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.2693a0.3671a，归一化频率 为(0.40430.4192)、分离因子为(0.75580.8208)、磁光介质柱边长为(0.268。
9、6a 0.2885a)、拐角介质柱中心距为(1.2304a1.4764a)，所述环行器的插入损耗小于 0.5dB； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.2642a0.3818a，归一化频率 为(0.40160.4235)、分离因子为(0.74730.8316)、磁光介质柱边长为(0.2639a 0.2922a)、拐角介质柱中心距为(1.2162a1.6971a)，所述环行器的插入损耗小于1dB。 权 利 要 求 书CN 104101948 A 1/8页 4 基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器 技。
10、术领域 0001 本发明涉及四端口十字型环行器领域,尤其涉及一种基于光子晶体技术的十字 型环行器。 背景技术 0002 自从电磁学诞生以来，环行器以它独特的功能被广泛使用。环行器根据不同的用 途可以应用于不同波段与器件。如当做隔离器使用时，可以通过屏蔽来自输出端的信号而 使信号只能在一个方向上传播；而在雷达技术中，环行器可以将信号从发射器环行到天线、 再从天线环行到接收器，而实现双工器的功能；在反射放大器中，环行器作为非互易器件可 以将放大的输出信号与输入端分离。 0003 近年来，随着光子晶体理论的提出，光子晶体波导被认为是可以高效传输电磁波 的一种媒质。因此，光子晶体波导理论为探索高效率的。
11、微波集成电路和集成光路开拓了新 的领域。在集成大量组件的微波器件和集成光路中，各个组件之间不可避免的会产生各种 回波干扰而影响整个系统的功能。因此，将这些干扰最小化将是优化整个系统的首要任务。 基于铁氧体材质的光子晶体波导环行器是一种非互易器件，它可以使波沿单一方向传播， 而反向传播的波将被导入到另一波导。尽管目前已经设计出来的基于光子晶体波导的环行 器相对于传统的磁光环行器来说，体积小了许多而且具有更好的性能，然而大部分设计都 使用了多根磁光介质柱或耦合介质柱，并且与波前直接作用，因而结构还是相对复杂并且 带宽相对较窄。 发明内容 0004 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于光。
12、子晶体波导的超高效紧 凑十字型环行器。 0005 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。 0006 本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器包括一个四个端口的十 字交叉的光子晶体波导；所述的十字交叉光子晶体波导中心放置一个方形磁光介质杆；所 述位于交叉波导中心的四个拐角处，分别设置四个方形介质杆切角成为直角边与背景方形 介质杆边长相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；所述拐角介质杆与其对应格点位置 的左边重合或不重合；所述环行器的插入损耗为0.02dB1dB，其隔离端与输入端的隔离 度大于14dB。 0007 所述光子晶体由高折射率介质杆在低折射率介质背景中周期排列而成，或由低折 射率。
13、介质杆在高折射率介质背景中周期排列而成。 0008 所述高折射率介质材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化硅等折射率大于2的介质， 低折射率介质材料为空气、真空、二氧化硅、冰晶石、橄榄油或折射率小于1.6的介质。 0009 所述光子晶体波导的任意输入端输入的波沿顺时针或逆时针环行到相邻的与输 入端波导90度正交的输出波导端口，电磁波的环行方向随外加磁场的方向而改变。 说 明 书CN 104101948 A 2/8页 5 0010 所述磁光介质杆为铁氧体材料。 0011 所述磁光介质杆的横截面为方形、矩形、圆形、椭圆形、环行、五边形、六边形、任意 多边形、任意闭合曲线。 0012 所述四个拐角介质杆的。
14、横截面为三角形、半圆形、半椭圆形、半多边形、或由一直 边和曲线形成的闭合图形。 0013 所述光子晶体十字交叉波导的背景介质柱的横截面为三角形、圆形、半圆形、椭圆 型、半椭圆形、多边形、或闭合曲线。 0014 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由 硅在空气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.3a，归一化频率为 0.4121、分离因子为0.7792、磁光介质柱边长为0.2817a、拐角介质柱中心距为1.2997a， 所述环行器的插入损耗为0.02dB，其中a为光子晶体的晶格常数，分离因子为磁光介质的 相对磁导率张量的第1行第2个量的绝对值与第1行第。
15、1个元素的值的比值，归一化频率 为a/2c，为圆频率，c为真空中光速；所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率 介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质 柱半径为0.3006a0.3045a，归一化频率为(0.41030.4138)、分离因子为(0.7712 0.7906)、磁光介质柱边长为(0.2801a0.2815a)、拐角介质柱中心距为(1.3224a 1.3365a)或(1.2807a1.3122a)，所述环行器的插入损耗小于0.05dB；所述环行器的高 折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气背景周期 排列而成，所述光。
16、子晶体中的硅介质柱半径为0.28a0.3344a，归一化频率为(0.4073 0.4160)、分离因子为(0.76340.8056)、磁光介质柱边长为(0.2745a0.2863a)、拐角 介质柱中心距为(1.2488a1.3852a)，所述环行器的插入损耗小于0.2dB；所述高折射 率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气背景周期排列 而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.2693a0.3671a，归一化频率为(0.4043 0.4192)、分离因子为(0.75580.8208)、磁光介质柱边长为(0.2686a0.2885a)、拐角 介质柱中心距为(1.2304。
17、a1.4764a)，所述环行器的插入损耗小于0.5dB；所述高折射 率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气背景周期排列 而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.2642a0.3818a，归一化频率为(0.4016 0.4235)、分离因子为(0.74730.8316)、磁光介质柱边长为(0.2639a0.2922a)、拐角 介质柱中心距为(1.2162a1.6971a)，所述环行器的插入损耗小于1dB。 0015 本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器可广泛应用于微波、太赫 兹和光通信波段。它与现有技术相比，具有如下积极效果。 0016 1.结构体积小，集。
18、成度高，电磁波传输效率高，适合大规模集成； 0017 2.本发明在短程通过一个铁氧体杆可以实现信号的环行，便于集成而且高效； 0018 3.本发明通过改变偏置场的极性，即可使电磁波沿顺时针或逆时针环行； 0019 4.本发明在输出端口具有极低的插入损耗，而在隔离端口具有非常高的隔离度； 0020 5.本发明原理在不考虑色散或色散可以忽略的情况下，可以应用光子晶体可等比 例缩放的特性，通过等比例改变晶格常数的方法，可以实现在不同波段电磁波环行的功能。 附图说明 说 明 书CN 104101948 A 3/8页 6 0021 图1为本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器的结构示意图及 本。
19、发明采用的坐标系。 0022 图2为本发明的方形介质柱光子晶体的光子带隙图和优化最大光子带隙对应的 TE带结构图。 0023 图2(a)为带隙与背景介质柱边长s b 的关系图，在背景介质柱边长为s b 0.3a的 情况下，具有相对禁带比为36的禁带。 0024 图2(b)为s b 0.3a的情况下的带结构图。 0025 图3为本发明中的线缺陷光子晶体(即光子晶体波导)的带结构图，在禁带中间 存在一个传导模。而图3中所标的线性色散区间，是通过条件d/dk(d/dk的峰值的 20)来选取的。 0026 图4(a)为本发明的铁氧体杆在无偏置磁场情况下，即铁氧体杆未磁化情况下的 奇模谐振模场分布的强度。
20、等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度。 0027 图4(b)为本发明的铁氧体杆未磁化情况下的偶模谐振模场分布的强度等色度二 维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度。 0028 图5为本发明的铁氧体杆在有偏置磁场情况下，即铁氧体杆被磁化情况下的谐振 模场分布图(电场强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度)。 0029 图5(a)为在铁氧体杆被磁化情况下，系统中谐振模场的漩涡状分布图。 0030 图5(b)为图5(a)中心区域的放大图。 0031 图6为本发明的铁氧体杆被磁化情况下的谐振模场能流分布图。 0032 图6(a)为能流分布的强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点。
21、的能流强度 值。 0033 图6(b)为能流场分布的强度等高等色度三维图，其中各点的颜色代表各点的能 流强度值，各点的高度表示各点的能流强度。 0034 图7为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器中心区域的结构示 意图。 0035 图8为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器的插入损耗和隔离 度随频率变化的特性，图中只给出了插入损耗为在0.2dB以下的频率区间内的特性。 0036 图9为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器的场分布与能流分 布模拟结果。 0037 图9(a)为场分布的强度等色度二维图，显示电磁波电场无任何损耗地高效环行， 其中各点的颜色代表各点的电场。
22、强度值。 0038 图9(b)为能流分布的强度等色度二维图，显示能量几乎全部被环行到P2端口，其 中各点的颜色代表各点的能流强度值。 0039 图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)为电磁波分别从本发明的十字型环行器 的四个端口输入时的电场分布的强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度 值。 0040 图11(a)为一个实施结构例，其中圆柱形背景介质柱拐角施加四个三角柱； 0041 图11(b)为一个实施结构例，其中圆柱形背景介质柱拐角施加四个半圆形柱； 0042 图11(c)为一个实施结构例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个半六角形柱； 说 明 书CN 104101。
23、948 A 4/8页 7 0043 图11(d)为一个实施结构例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个三角形柱； 0044 图11(e)为一个实施结构例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个半圆形柱。 具体实施方式 0045 如图1所示，本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器包括一个四 个端口的十字交叉的光子晶体波导；在一个十字交叉的光子晶体波导中心位置放置一个方 形磁光介质杆；磁光介质杆采用铁氧体或磁光介质材料；所述磁光介质杆的横截面采用方 形、矩形、圆形、椭圆形、环行、五边形、六边形、任意多边形、任意闭合曲线；同时在T字交叉 波导中心的四个角落分别设置四个拐角杆，将四个方形介质杆切角成为。
24、直角边与其他方形 杆(背景方形介质杆)边长相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；四个拐角介质杆的 横截面采用三角形、半圆形、半椭圆形、半多边形、或由一直边和曲线形成的闭合图形，拐角 介质杆与其对应格点位置的左边重合或不重合；光子晶体十字交叉波导的背景介质柱的横 截面采用三角形、圆形、半圆形、椭圆型、半椭圆形、多边形、或闭合曲线；所述光子晶体由高 折射率介质和低折射率介质交替排列布置而成，光子晶体由高折射率介质杆在低折射率介 质背景中排列形成的结构和由低折射率介质杆在高折射率介质背景中排列形成的结构。所 述高折射率介质材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化硅或折射率大于2的介质，低折射率介 质材料为空。
25、气、真空、二氧化硅、冰晶石、橄榄油或折射率小于1.6的介质。光子晶体波导的 任意输入端输入的波沿顺时针或逆时针环行到相邻的与输入端波导90度正交的输出波导 端口，电磁波波的环行方向随外加磁场的方向而改变。 0046 图1中所示，从端口1(P1)端口入射的电磁波信号将被高效低耗地环行到端口 2(P2)端口中去；同样，P2至端口3(P3)、P3至端口4(P4)、P4至P1都可以实现同样的环行 效果。本说明中的坐标系如图1中所示。 0047 首先，我们选择以正方晶格分布的方形介质杆阵列作为背景光子晶体。其中a为 晶格常数，高折射率介质杆的材质采用硅(Silicon)，其在微波波段的折射率可以认为是 。
26、3.4，低折射率介质为空气。为了得到最宽的光子晶体完全禁带，可以设置一个以介质杆边 长为自变量的频率扫描序列，来研究边长变化随禁带的分布情况。如图2(a)中所示，通过 使用有限元方法(Finite Element Method，缩写为FEM)方法并计算场中的特征频率，可以 得到在背景介质柱边长为s b 0.3a的情况下，具有相对禁带比为36的禁带。针对这个 禁带，图2(b)中详细的带结构图。 0048 在微波集成电路和光集成器件中，避免不同频率引起的群速度不同是至关重要 的，直接影响着信号的质量。为了最小化不同频率信号造成的群速色散，找出d 2 /dk 2 0 的区间是必要的。在光子晶体线缺陷。
27、波导中，带结构的投射图如图3中所示，在禁带中间存 在一个传导模。图3所展示的即为此导模上的线性区间，此线性区间是通过取d/dk的峰 值的20来界定的。本说明中所计算出的此线性区间的归一化频率范围为： 0049 f(2c) -1 aa/0.37480.4511 (1) 0050 在本说明以下阐述的实施过程中，都以此频率范围为基础进行研究。 0051 如图1中所示，本发明中的铁氧体按z轴方向偏置，在此情况下，相对磁导率张量 为： 说 明 书CN 104101948 A 5/8页 8 0052 0053 其中p为归一化磁化率或分离因子： 0054 0055 当/增加时，根据偏置磁场方向的不同，会产生。
28、两个不同的谐振频率 n + 和 n - ，其中一个是沿顺时针方向e jn 传播，一个是按逆时针方向e -jn 传播，这也是p被称作 分离因子的原因。对于一个被p磁化的电磁场，麦克斯韦方程组可以表示为： 0056 0057 0058 0059 0060 由式(4)-(7)可以得到如下方程： 0061 0062 其中k 2 2 0 0 ( 2 - 2 )/ 2 0 0 e 为有效波数的平方， 12.9是铁氧体材料的相对介电常数， e ( 2 - 2 )/是有效相对磁导率， 0 和 0 为 真空中的介电常数和磁导率。如果铁氧体没有被磁化，即外加磁场为0，此时0， e 。通过使用FEM法计算式(8)中。
29、的场，可以得到如图4中所示的铁氧体处于非磁化状态下 的两个谐振模式。其中图4(a)和图4(b)分别是奇模和偶模。当在系统中引入偏置场后， 磁导率变为上面所述的张量形式，铁氧体处于磁化状态。当分裂系数为0.77时，可以观察 到明显的旋磁效应，如图5(a)所展示的电场在磁光介质处于磁化状态下呈现漩涡状分布。 而在放大的图5(b)中，可以明显看到这种由铁氧体磁化时，谐振场呈现太极状分布。根据 电场可以计算出坡印廷矢量或能流分布： 0063 0064 其中E z 为和是幅值与相位，*号为复数共 轭符号。由式9可以计算出能流分布图，如图6(a)、(b)所示。由于涡旋场中心点的电场为 0，其能流密度也为0。
30、。 0065 本发明在中心区域的结构分布如图7中所示，边长为s b 方形介质柱以晶格常数 a分布于整个器件的背景，并通过删除一行和一列介质柱而形成互相垂直的十字波导，波 说 明 书CN 104101948 A 6/8页 9 导的宽度为：(2a-s b )。同时，对位于交叉中心四个角落处的方形杆进行切角操作，使其成 为如图7中所示的直角边长仍为s b 的等腰直角三角形。另外，这四个三角形相对于交叉 波导中心点有一个可以变动的距离d c ，通过改变这个距离，可以优化光在拐弯处的传输 效果。最后，设定位于波导中心处的方形铁氧体的边长为s m 。由于在中心区域的电磁波 耦合效应是非常复杂的，因此我们定。
31、义受铁氧体、三角形杆和波导影响的电场分布因子分 别为同样地，对于磁场我们定义 这样，整个系统的电场和磁场分布 可以写成： 0066 0067 0068 为简洁起见，同时因为本说明中的十字环行器相对于中心是90对称的，这里先 只研究电磁波信号从P1输入，环行到P2输出而同时隔离P3、P4的情况，从其它端口输入的 情况应与目前这种情况是完全相同的。通过引入Nelder-Mead优化方法，来设置所需要考 察的目标函数。设基于能流分布的目标函数有以下形式： 0069 0070 其中f opt 是由,p,s m 和d c 控制的多元函数。显而易见，f opt 的值越小，整个系统 的环行效果越好。通过计算。
32、可以找到这个f opt 的最小值，详细如下： 0071 f opt | min (f0.4121,p0.7792,s m 0.2817a,d c 1.2997a) 0072 (13) 3.8489e -5 . 0073 插入损耗和隔离度是考察一个环行器性能的重要指标，对于从P1入射的情况，它 们的定义如下： 0074 InsertionLoss P1-P2 10log 10 (P 1 /P 2 ) (14) 0075 Isolation P1-P3 10log 10 (P 1 /P 3 ) (15) 0076 Isolation P1-P4 10log 10 (P 1 /P 4 ) (16) 。
33、0077 其中P 1 ,P 2 ,P 3 和P 4 是各个端口处的均时功率流。我们设定范围为方程(1)的频率 f为自变量，来考察上述插入损耗与隔离度。 0078 由于本发明是获得一个高性能的四端口环行器，因此一般将插入损耗为0.2dB的 频率区间为工作区间，图8为通过计算得出的本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字 型环行器的插入损耗和隔离度随频率变化的特性，图中只给出了插入损耗为在0.2dB以下 的频率区间内的特性，可以观察到所有的隔离度都大于14dB。另外，当工作频率为0.4121， 即与方程(13)一致时，可以获得一个插入损耗为0.02dB的最小值，同时对应P3、P4端口的 隔离度的最大。
34、值分别为46dB与48dB。 说 明 书CN 104101948 A 7/8页 10 0079 采用光子晶体介质柱半径为0.3a、归一化频率为0.4121、分离因子为0.7792、磁 光介质柱边长为0.2817a、拐角介质柱中心距为1.2997a，可得到如图9中所描述的结果。从 图9(a)中可以观察到，从P1入射的电磁波电场几乎没有任何损耗地环行到P2端口；从图 9(b)中可以观察到，由于电磁波被高效地环行，能流自然而然非常好地被环行到P2端口。 因此，整个器件可以实现如图10所示的效果。图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)为电 磁波分别从本发明的十字型环行器的四个端口输入时。
35、的电场分布的强度等色度二维图，它 显示了波在环行器中的环行效果。可见本发明是一种基于光子晶体波导的超高效紧凑十字 型环行器。 0080 如图11所示本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器通过在不同形 状介质柱构成的光子晶体波导的四个角落处施加形状不同、目的相同的其它形状柱子的环 行器实例。 0081 实施方案1： 0082 采用光子晶体介质柱半径为0.3a、归一化频率为0.4121、分离因子为0.7792、 磁光介质柱边长为0.2817a、拐角介质柱中心距为1.2997a，所述环行器的插入损耗为 0.02dB。 0083 实施方案2： 0084 采用光子晶体介质柱半径为0.3a、分离因。
36、子为0.7792、磁光介质柱边长为 0.2817a、拐角介质柱中心距为1.2997a，归一化频率分别为0.4138、0.4160、0.4192和 0.4235，则环行器的插损分别为0.05dB、0.2dB、0.5dB和1dB。 0085 实施方案3： 0086 采用归一化频率为0.4121、光子晶体介质柱半径为0.3a、磁光介质柱边长 为0.2817a、拐角介质柱中心距为1.2997a，分离因子分别为0.7906、0.8056、0.8208和 0.8316，则环行器的插损分别为0.05dB、0.2dB、0.5dB和1dB。 0087 实施方案4： 0088 采用归一化频率为0.4121、光子晶。
37、体介质柱半径为0.3a、分离因子为0.7792、 拐角介质柱中心距为1.2997a，磁光介质柱边长分别为0.2815a、0.2863a、0.2885a和 0.2922a，则环行器的插损分别为0.05dB、0.2dB、0.5dB和1dB。 0089 实施方案5： 0090 采用归一化频率为0.4121、光子晶体介质柱半径为0.3a、分离因子为0.7792、 磁光介质柱边长为0.2817a，拐角介质柱中心距d c 分别为1.3365a、1.3852a、1.4764a和 1.6971a，则环行器的插损分别为0.05dB、0.2dB、0.5dB和1dB。 0091 实施方案6： 0092 通过在不同形。
38、状介质柱构成的光子晶体波导的四个角落处施加形状不同、目的相 同的介质柱，都可以实现与之前实例相同的环行功能。如图11(a)，所示，在圆柱形背景介质 柱角落施加四个三角柱，并在中心处放置相应材质的铁氧体，通过控制如上述实例所述的 工作频率f,分离系数p，铁氧体边长s m ，四个拐角三角柱中心距离d c 来实现高性能环行的 功能。根据考察与上述参数相关的插入损耗曲线，来设定如0.05dB、0.2dB、0.5dB、1dB等不 同的工作区间。 0093 实施方案7： 说 明 书CN 104101948 A 10 8/8页 11 0094 如图11(b)，所示，在圆柱形背景介质柱角落施加四个半圆形柱，并。
39、在中心处放置 相应材质的铁氧体，通过控制如上述实例所述的工作频率f,分离系数p，铁氧体边长s m ，四 个拐角半圆柱中心距离d c 来实现高性能环行的功能。根据考察与上述参数相关的插入损 耗曲线，来设定如0.05dB、0.2dB、0.5dB、1dB等不同的工作区间。 0095 实施方案8： 0096 如图11(c)，所示，在六角形背景介质柱角落施加四个半六角形柱，并在中心处放 置相应材质的铁氧体，通过控制如上述实例所述的工作频率f,分离系数p，铁氧体边长s m ， 四个拐角半六角形柱中心距离d c 来实现高性能环行的功能。根据考察与上述参数相关的 插入损耗曲线，来设定如0.05dB、0.2dB。
40、、0.5dB、1dB等不同的工作区间。 0097 实施方案9： 0098 如图11(d)，所示，在六角形背景介质柱角落施加四个三角形柱，并在中心处放置 相应材质的铁氧体，通过控制如上述实例所述的工作频率f,分离系数p，铁氧体边长s m ，四 个拐角三角形柱中心距离d c 来实现高性能环行的功能。根据考察与上述参数相关的插入 损耗曲线，来设定如0.05dB、0.2dB、0.5dB、1dB等不同的工作区间。 0099 实施方案10： 0100 如图11(e)，所示，在六角形背景介质柱角落施加四个半圆形柱，并在中心处放置 相应材质的铁氧体，通过控制如上述实例所述的工作频率f,分离系数p，铁氧体边长s。
41、 m ，四 个拐角半圆形柱中心距离d c 来实现高性能环行的功能。根据考察与上述参数相关的插入 损耗曲线，来设定如0.05dB、0.2dB、0.5dB、1dB等不同的工作区间。 0101 由于本发明所提供的配置方法是基于归一化频率的，因此对于不同的波段，可以 通过公式 0102 0103 来设计在相应的频率下符合要求的光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器。 0104 以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发 明限制。 说 明 书CN 104101948 A 11 1/7页 12 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104101948 A 12 2/7页 13 图3 图4 说 明 书 附 图CN 104101948 A 13 3/7页 14 图5 图6 说 明 书 附 图CN 104101948 A 14 4/7页 15 图7 图8 说 明 书 附 图CN 104101948 A 15 5/7页 16 图9 说 明 书 附 图CN 104101948 A 16 6/7页 17 图10 说 明 书 附 图CN 104101948 A 17 7/7页 18 图11 说 明 书 附 图CN 104101948 A 18 。