基于光子晶體t型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及磁控二選一光路選通開關，尤其涉及一種基于光子晶體技術的磁控二 選一直角輸出光路選通開關。
【背景技術】
[0002] 傳統的磁控二選一光路選通開關應用的是幾何光學原理，因此體積都比較大，無 法用于光路集成中。磁光材料與新型光子晶體的結合導致提出了許多光子器件，其最主要 的性質是電磁波在偏置磁場下表現出的旋磁非互易性，使磁性光子晶體不僅具有旋光特 性，還有著更大的傳輸帶寬和更高的傳播效率。以光子晶體為基礎的微小的器件，例如磁控 二選一光路選通開關，其光子晶體波導通過引入線缺陷來構建。光開關是光通信和光學計 算的最基本部件，具有廣泛應用價值，緊湊型光開關是集成光路芯片的基本單元。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是克服現有技術中的不足，提供一種結構體積小，高效短程便于集 成的光子晶體磁控二選一光路選通開關。
[0004] 本發明的目的通過下述技術方案予以實現。
[0005] 本發明的基于光子晶體Τ型波導的磁控二選一直角輸出光路開關，包括一個具有 ΤΕ禁帶的光子晶體Τ型波導;所述光路開關還包括一個輸入端1、兩個輸出端2和3、背景硅介 質柱4、等腰直角三角形缺陷介質柱5和缺陷介質柱6,所述光路開關還包括一個提供偏置磁 場的電磁鐵(7);所述光子晶體Τ型波導的左端為輸入端1，所述兩個輸出端2、3分別位于光 子晶體Τ型波導的上端、下端;所述缺陷介質柱6位于Τ型波導中心交叉處;所述4個等腰直角 三角形缺陷介質柱5分別位于Τ型波導交叉的四個拐角處;所述光子晶體波導由端口 1輸入 ΤΕ光，輸出信號從端口 2或端口 3輸出。
[0006] 所述光路開關進一步包括電磁鐵線圈7、導線8、極性可控電流源9和電子開關10; 所述電磁鐵(7)的另一端通過導線(8)和極性可控電流源(9)的另一端連接;所述極性可控 電流源(9)與電子開關(10)連接。
[0007] 所述光子晶體為二維正方晶格光子晶體。
[0008] 所述光子晶體由高折射率介質材料和低折射率材料組成;所述高折射率介質材料 為硅或折射率大于2的介質;所述低折射率介質為空氣或折射率小于1.4的介質。
[0009] 所述Τ型波導為光子晶體中移除中間一橫排和中間一豎排介質柱后的結構。
[0010] 所述Τ型波導交叉拐角處的四個背景介質柱4分別刪除一個角以形成等腰直角三 角形缺陷介質柱，該等腰直角三角形缺陷介質柱5為三角柱型。
[0011] 所述背景硅介質柱4的形狀為方形。
[0012]所述正方形娃介質柱以介質柱軸線方向ζ軸逆時針旋轉41度。
[0013]所述缺陷介質柱6為鐵氧體方柱，其形狀為正方形，該鐵氧體方柱的磁導率為各向 異性，且受偏置磁場的控制，偏置磁場方向沿著鐵氧體方柱的軸線方向。
[0014] 所述端口 2與端口 3成直角布局。
[0015] 本發明與現有技術相比具有以下的優點：
[0016] (1)結構體積小，開關時間響應快，光傳輸效率高，適合大規模光路集成；
[0017] (2)可以短程高效地實現TE光信號磁控二選一光路開關，便于集成，具有極大的實 用價值；
[0018] (3)應用光子晶體可等比例縮放的特性，通過等比例改變晶格常數的方法，可以實 現不同波長磁控二選一光路選通開關的功能；
[0019] (4)高對比度、高隔離度，同時還具有較寬的工作波長范圍，可以允有一定頻譜寬 度的脈沖，或高斯光，或不同波長的光工作，或多個波長的光同時工作，具有實用意義。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發明基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的一種結構 示意圖。
[0021] 圖中：輸入端1輸出端2輸出端3背景娃介質柱4等腰直角三角形缺陷介質柱5 缺陷介質柱6
[0022] 圖2是本發明的基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的另一種 結構示意圖。
[0023] 圖中：電磁鐵7導線8極性可控電流源9電子開關10
[0024] 圖3是本發明基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關結構參數分 布圖。
[0025] 圖4是本發明基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的波形圖。
[0026] 圖5(a)是實施例1中光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的禁帶頻 率的開關對比度圖。
[0027] 圖5(b)是實施例1中光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關禁帶頻率 隔離度圖。
[0028] 圖6(a)是實施例2中光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的禁帶頻 率的開關對比度圖。
[0029] 圖6(b)是實施例2中光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關禁帶頻率 的隔離度圖。
[0030] 圖7(a)是實施例3中光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的禁帶頻 率的開關對比度圖。
[0031] 圖7(b)是實施例3中光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關禁帶頻率 的隔離度圖。
[0032] 圖8是本發明的基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的光場分 布示意圖。
【具體實施方式】
[0033] 如圖1所不，本發明基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的結構 示意圖（刪除了偏置電路和偏置線圈），包括一個具有TE禁帶的光子晶體T型波導，該光路開 關還包括一個輸入端1、兩個輸出端2和3、背景硅介質柱4、等腰直角三角形缺陷介質柱5和 缺陷介質柱6;本器件初始信號光從左方端口 1入射，端口 2輸出光波，端口 3隔離光波;光子 晶體T型波導的左端為輸入端，端口 2和端口 3分別位于光子晶體T型波導的右端和上端，端 口 2和端口 3成直角布局，光子晶體波導由端口 1輸入TE光，輸出信號從端口 2或端口 3輸出， 即端口 1選擇與端口2、3相連接。背景硅介質柱4形狀為方形，光軸方向垂直紙面向外，等腰 直角三角形缺陷介質柱5為，T型波導交叉拐角處的四個背景介質柱4分別刪除一個角以形 成等腰直角三角形缺陷介質柱，為三角柱型，4個等腰直角三角形缺陷介質柱5分別位于T型 波導交叉的四個拐角處，光軸方向與背景介質柱相同；缺陷介質柱6位于T型波導中心交叉 處，缺陷介質柱6為鐵氧體方柱，其形狀為方形，光軸方向垂直紙面向外，該鐵氧體方柱的磁 導率為各向異性，且受偏置磁場的控制，偏置磁場方向沿著鐵氧體方柱的軸線方向。如圖2 所不，本發明基于光子晶體T型波導的磁控二選一直角輸出光路開關的結構不意圖（含有偏 置電路和偏置線圈），光路開關包括一個提供偏置磁場的電磁鐵7(電磁鐵線圈），該電磁鐵7 的另一端與極性可控電流源9的另一端相連接，光路開關還包括導線8、極性可控電流源9和 電子開關10;電磁鐵7的一端通過導線8和極性可控電流源9的一端連接;極性可控電流源9 與電子開關10連接。本發明光路開關的一種結構示意圖采用笛卡爾直角坐標系:x軸正方向 為水平向右;y軸正方向為在紙面內豎直向上;z軸正方向為垂直于紙面向外。
[0034]如圖3所示，本器件的相關參數為：
[0035] di = a(晶格常數）
[0036] d2 = 0.3a(方形娃柱邊長）
[0037] d3 = 0.2817a(方形缺陷柱邊長）
[0038] d4=0.3a(等腰直角三角形缺陷柱腰長）
[0039] d5=l .2997a(等腰直角三角形缺陷柱斜邊到方形缺陷柱中心的距離）
[0040] d6= 1.577a(波導寬長）
[0041]本發明光子晶體為正方晶格，晶格常數為a，介質柱邊長為0.3a，在光子晶體正方 形硅介質柱參考介質柱軸線方向（z軸)逆時針旋轉41度時，采用平面波展開法得到光子晶 體中TE禁帶結構，其光子TE禁帶為0.3150至0.4548( ω a/23ic)，其中間的任何頻率的光波將 被限制在波導中，正方晶格介質柱參考介質柱軸線方向（z軸)逆時針旋轉41度后，獲得了更 大更寬的禁帶范圍。
[0042]本發明所使用硅介質波導需要刪除一行和一列介質柱而形成導波波導。波導平面 垂直于光子晶體中的介質柱的軸線。通過在上述光子晶體T型波導中心交叉處引入一個鐵 氧體方柱(方形缺陷柱6)，其邊長為0.28a，4個等腰直角三角形缺陷介質柱5斜邊面分別到 鐵氧體柱(方形缺陷介質柱6)軸線的距離為1.2997a。鐵氧體方柱的光軸與背景介質柱的光 軸方向一致。
[0043]本發明的原理介紹主要針對磁光介質加以解釋。鐵氧體是一種磁各向異性的材 料，鐵氧體的磁各向異性是由外加直流偏置磁場所誘導的。該磁場使鐵氧體中的磁偶極子 循同一方向排列，從而產生合成的磁偶極距，并使磁偶極子在由偏置磁場強度所控制的頻 率下做進動。通過調整偏置磁場強度可控制與外加微波信號的相互作用，從而實現光子晶 體T型波導的磁控二選一直角輸出光路選通開關。在偏置磁場的作用下，鐵氧體的磁導率張 量表現為非對稱性，其中鐵氧體張量磁導率[μ]為：
[0045]磁導率張量的矩陣元由以下式子給出：
[0051] 其中，μ〇為真空中的磁導率，γ為旋磁比，Ho為外加磁場，Ms為飽和磁化強度，為工 作頻率，P = k/y為歸一化磁化頻率，也叫分離因子，參數μ和k決定不同鐵氧體材料，具有這 種形式的磁導率張量的材料稱為旋磁性的，假定偏置的方向是相反的，則Ho和Ms將改變符 號，所以旋轉方向也會相反。
[0052] 偏置磁場由偏置電磁鐵產生，偏置電磁鐵中加載偏置電流，該偏置電流為控信號， 偏置電流為正(負)值，一個光路處于選通(關閉），另一個光路處于關閉(選通）。
[0053]通過調節偏置磁場Η的大小來確定符合H=Ho時，光從端口 3輸出，H=-Ho時，光從端 口 2輸出。從而實現磁控二選一光路選通開關。