CN101726873A - 光子晶体三端口环行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子晶体三端口环行器，其包括介质背景材料和多个第一空气柱，多个第一空气柱在该介质背景材料中呈三角晶格对称排列，还包括一磁光腔和三个波导，该磁光腔位于该光子晶体三端口环行器的中心位置，所述的三个波导以该磁光腔为中心对称旋转分布；所述的每一波导都包括一波导端口，每一波导端口都位于每一波导的远离该磁光腔的位置，该光子晶体三端口环行器对从一波导端口入射的光进行单方向环行传输。本发明结构简单紧凑，易与其它光子晶体器件实现集成。

Description

光子晶体三端口环行器

【技术领域】

本发明涉及一种光子晶体三端口环行器，特别涉及一种介质-空气柱型光子晶体三端口环行器。

【背景技术】

现代全光信息处理技术的日益发展，为实现光路集成芯片奠定了坚实基础。1987年E.Yablonovitch和S.John等学者提出光子晶体的概念，随后光子晶体得到不断深入研究，被认为是最有潜力实现新一代全光集成芯片的光子器件之一。光子晶体是一种介电常数在空间呈周期排列的新型人工材料，如同半导体材料对电子的操纵一样，它能够实现对光子的控制与操作。经过二十几年的发展，光子晶体在设计及其制作方面取得很大进展，如基于光子晶体结构的高性能反射镜、高效率光波导、超窄带滤波器、高单色激光器、快速全光开关等各种光子器件。光子晶体器件性能优越、尺寸小，并且容易与半导体中的硅基材料集成，在全光信息网络中具有重要应用价值。

近年来，光子晶体逻辑器件是一个备受瞩目的研究热点，它极有可能在不久将来取代目前正广泛使用的电子逻辑器件。基于“与”、“或”、“非”、“异或”等光子晶体逻辑功能器件已经被成功设计研究，它们具有结构紧凑、运算速度快、并行操作简单等优点，是实现全光逻辑运算的基本元件。目前人们正在积极探索光子晶体比较器、光子晶体A/D(D/A)转换器、光子晶体脉冲发生器等更复杂的逻辑光路搭建工作及其优化。随着逻辑器件集成度的增加，光路中器件之间的相互干扰问题逐渐突出，如果解决不好，则设计光路的整体性能将大大降低，严重情况下甚至无法完成正常的逻辑功能。针对此问题，以非互易性为特点的磁光环行器是一种非常有效的解决手段，它能够实现对正方向光信号的低损耗传输和对反方向光信号的高度隔离，有助于减少光路串扰，提高信号的稳定传输，从而确保集成光路系统的正常工作。然而，由于传统磁光环行器主要是基于磁光材料的块材结构，所以导致其体积较大，不适宜与光子晶体器件集成。

【发明内容】

本发明的目的就是为了解决现有技术中磁光环行器存在的体积较大，不适宜与光子晶体器件集成等技术问题，本发明提供一种光子晶体三端口环行器。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供一种光子晶体三端口环行器，其包括介质背景材料和多个第一空气柱，多个第一空气柱在该介质背景材料中呈三角晶格对称排列，还包括一磁光腔和三个波导，该磁光腔位于该光子晶体三端口环行器的中心位置，所述的三个波导以该磁光腔为中心对称旋转分布；所述的每一波导都包括一波导端口，每一波导端口都位于每一波导的远离该磁光腔的位置，该光子晶体三端口环行器对从一波导端口入射的光进行单方向环行传输。

每一波导都包括一波导端口，每一波导端口都位于每一波导的远离该磁光腔的位置，根据该磁光腔的旋光效应，该光子晶体三端口环行器对从一波导端口入射的光进行单方向环行传输。

所述的磁光腔包括一磁光材料柱和六个分布在该磁光材料柱周围的第一空气柱，该磁光材料柱是由向位于该光子晶体三端口环行器的中心位置的第一空气柱填充磁光材料并施加与空气柱轴线平行方向(z轴)的磁场形成。

所述的三个波导汇聚于磁光腔中心，三个波导两两之间呈120度的夹角，每个波导都是由介质背景材料填充位于同一列上第一空气柱形成。

所述的光子晶体三端口环行器进一步包括六个第二空气柱，每两个第二空气柱设置在每一个波导的邻近该磁光腔的位置，该第二空气柱的直径小于所述的第一空气柱的直径。

所述的光子晶体三端口环行器进一步包括多个第三空气柱和多个第四空气柱，多个第三空气柱和多个第四空气柱按直径递增的顺序依次设置在邻近磁光腔的每两个波导之间的位置，该第三空气柱的直径大于所述的第一空气柱的直径。

设光的入射功率为1，所述的波导对应的光功率超过0.9代表该波导处于光传输状态，波导对应的光功率低于0.05则代表该波导处于光隔离状态。

相较于现有技术，本发明所述的光子晶体三端口环行器的主要有益效果在于：

本发明所述的光子晶体三端口环行器利用位于其中心位置的磁光腔的旋光效应，实现对不同波导的低损耗光传输和高度光隔离，成功获得光在三波导端口的单方向环行功能。而本发明所述的光子晶体三端口环行器的结构简单紧凑，易与其它光子晶体器件实现集成，在光子晶体逻辑器件集成中具有隔离光信号串扰的重要作用，从而确保光路系统的正常工作。

另外，在本发明所述的光子晶体三端口环行器中，在其每个波导的邻近该磁光腔的位置各设置两个第二空气柱，所述的第二空气柱对应的波导处于光传输状态时，所述的第二空气柱对磁光腔-波导起到耦合作用；所述的第二空气柱对应的波导处于光隔离状态时，所述的第二空气柱对磁光腔-波导起到光隔离作用。此外，光子晶体三端口环行器在每两个波导之间邻近所述的磁光腔的位置设置了多个第三空气柱和多个第四空气柱，所述的多个第三空气柱和多个第四空气柱降低了波导之间的干扰，并提高了波导传输的效率。

【附图说明】

图1为本发明光子晶体三端口环行器的截面示意图。

图2为本发明光子晶体三端口环行器的光谱示意图，其中实线对应传输端口光181的功率，虚线对应隔离端口191的光功率，点线对应光损耗和反射功率的总和。

图3为本发明光子晶体三端口环行器的入射端口为第一端口的光传输示意图。

图4为本发明光子晶体三端口环行器的入射端口为第二端口的光传输示意图。

图5为本发明光子晶体三端口环行器的入射端口为第三端口的光传输示意图。

【具体实施方式】

本发明涉及一种光子晶体三端口环行器，下面结合附图详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，本发明提供一种光子晶体环行器10，其包括介质背景材料11、多个第一空气柱12、六个第二空气柱13、多个第三空气柱14(空气柱C)、多个第四空气柱15(空气柱D)、一磁光腔(未标示)、一第一波导17、一第二波导18和一第三波导19。所述的多个第一空气柱12、六个第二空气柱13、多个第三空气柱14和多个第四空气柱15在该介质背景材料11中呈三角晶格对称排列。所述的磁光腔位于该光子晶体三端口环行器10的中心位置，其包括一磁光材料柱16(网格线标示)和六个分布在该磁光材料柱周围的第一空气柱。该磁光材料柱16是由向位于该光子晶体三端口环行器的中心位置的第一空气柱中填充磁光材料，并对其施加与空气柱轴线平行方向(z轴)的磁场而形成。所述的六个分布在该磁光材料柱16周围的第一空气柱使得该磁光腔为六边形磁光腔。所述的多个第一空气柱12、六个第二空气柱13、多个第三空气柱14、多个第四空气柱15和一磁光材料柱16的截面可以为圆型、四边形、五边形，或六边形，针对不同截面形状，所述的六个第二空气柱13、多个第三空气柱14和多个第四空气柱15调整为相应的尺寸。

所述的三个波导17、18和19以磁光腔为中心旋转对称分布，所述的旋转对称分布具体是指三个波导17、18和19汇聚于磁光腔中心，第一波导17位于x轴负方向，第二波导18位于与x轴成负60度方向，第三波导19位于与x轴成正60度方向，即三个波导两两之间呈120度夹角。每个波导都是由所述的介质背景材料11填充位于同一列上的第一空气柱12而形成。每个波导的长度范围为na，其中n为大于2的自然数，即波导长度至少为3个所述周期，并且增加波导长度，环行器的单方向环行传输功能不变。每一波导都包括一波导端口，即该第一波导17包括一第一波导端口171，该第二波导18包括一第二波导端口181，该第三波导19包括一第三波导端口191。每一波导端口都位于每一波导远离该磁光腔的位置。

每两个第二空气柱13设置在每个波导的邻近该磁光腔的位置，该第二空气柱13的直径小于所述的第一空气柱12的直径。当所述的第二空气柱13对应的波导处于光传输状态时，所述的第二空气柱13起到磁光腔-波导的耦合作用；当所述的第二空气柱13对应的波导处于光隔离状态时，所述的第二空气柱起到磁光腔-波导的隔离作用。所述的多个第三空气柱14和多个第四空气柱15按直径递增的顺序依次设置在每两个波导之间的邻近该磁光腔的位置，该第三空气柱14的直径大于所述的第一空气柱12的直径。所述的多个第三空气柱14和多个第四空气柱15用来降低波导之间的干扰，以及用来提高波导传输的效率。

本发明提供的技术方案是基于所述的光子晶体三端口环行器10中的磁光腔的旋光效应，实现对不同波导的低损耗光传输和高度光隔离效果。所述的磁光腔的旋光效应的原理如下：

磁光材料在施加与空气柱轴线平行方向(z轴)的磁场后，它的介电参量可以用一个三维张量表示：

$\stackrel{\↔}{\mathrm{\ϵ}}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yx}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zx}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zy}}& {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ϵ}}_0& i{\mathrm{\ϵ}}_a& 0\\ -i{\mathrm{\ϵ}}_a& {\mathrm{\ϵ}}_0& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\ϵ}}_0\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中对角元ε₀对应无外加磁场时的材料介电常数；非对角元ε_a对应施加外磁场后的磁光效应强度，其强度可以利用参量Q＝ε_a/ε₀来衡量。对于具有磁光材料的光子晶体，磁场H的本征值可以通过求解如下本征方程获得：

$\mathrm{\Θ}|H>=\▿\×{\stackrel{\↔}{\mathrm{\ϵ}}}^{-1}\▿\×|H>={\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right)}^2|H>.---\left(2\right)$

参量ω和c分别对应角频率和光速。

通常，方程(2)可以使用各种数值方法具体求解。考虑到实际中参量Q的数值很小，运用微扰理论即可解释磁光光子晶体的旋光效应。将方程(2)展开到参量ε_a的一阶项得到：

$\mathrm{\Θ}|H>=\▿\×\frac{1}{{\mathrm{\ϵ}}_0}\▿\×|H>-\▿\×\frac{{\stackrel{\↔}{\mathrm{\ϵ}}}^{\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_0^2}\▿\×|H>={\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right)}^2|H>.---\left(3\right)$

方程(3)中的

用来描述无磁光材料的光子晶体特性。光子晶体中的第一空气柱在其介质背景材料中呈三角对称周期排列，当填充其中的一第一空气柱时，使得光子晶体内形成点缺陷腔。在特定角频率下，该点缺陷腔可以支持偶对称模|e＞和奇对称模|o＞两个本征模式。该点缺陷腔中引入磁光材料后，产生的磁光效应可以认为是方程(3)中的微扰量

作用于|e＞和|o＞两个本征模式的结果。此时，本征模|e＞和|o＞产生的耦合作用，将会导致该磁光腔内磁场分布模式发生旋转变化，即该磁光腔的旋光效应。

本发明提供的光子晶体三端口环行器的工作原理为：对于从一波导端口入射的特定波长的光波，通过该磁光腔的旋光效应可以获得该磁光腔内磁场分布模式的旋转，使得该磁光腔内磁场的波矢对另外两波导分别产生平行和偏离的效果，即使得与波矢平行的波导获得光传输状态，而与波矢偏离的波导则获得光隔离状态；结构的高度旋转对称性保证光进行单方向环行传输的功能；所述的单方向环行具体是指，由第一波导端口171输入的光只能从第二波导端口181输出，第三波导端口191处于隔离状态；第二波导端口181输入的光只能从第三波导端口191输出，第一波导端口171处于隔离状态；第三波导端口191输入的光只能从第一波导端口171输出，第二波导端口181处于隔离状态。

本发明提供了一种光子晶体三端口环行器10，相较于现有技术，本发明的主要有益效果在于：

本发明所述的光子晶体三端口环行器10利用位于其中心位置的磁光腔的旋光效应，实现对不同波导的低损耗光传输和高度光隔离，成功获得光在三波导端口的单方向环行功能。因此，本发明所述的光子晶体三端口环行器10的结构简单紧凑，易与其它光子晶体器件实现集成，在光子晶体逻辑器件集成中具有隔离光信号串扰的重要作用，从而确保光路系统的正常工作。

另外，在本发明所述的光子晶体三端口环行器中，在其每个波导的邻近该磁光腔的位置各设置两个第二空气柱13，所述的第二空气柱13对应的波导分别处于光传输状态和光隔离状态时，所述的第二空气柱13分别对磁光腔-波导起到耦合作用和隔离作用，其提高了波导传输的效率。此外，光子晶体三端口环行器10在每两个波导之间邻近所述的磁光腔的位置设置了多个第三空气柱14和多个第四空气柱15，所述的多个第三空气柱14和多个第四空气柱15降低了波导之间的干扰，并提高了波导传输的效率。

本发明提供的一优选的技术方案中，选择介质背景材料11为氮化镓(GaN)材料，其折射率为2.5。所述的光子晶体三端口环行器10的晶格阵列为15×15，其晶格常数设定为1μm，所述的第一空气柱12截面直径设定为0.72μm。对于TE极化波(磁场沿z轴)，利用平面波展开方法计算得到该光子晶体三端口环行器的禁带宽度为从归一化频率a/λ＝0.307到a/λ＝0.418，其中λ代表光波长。

所述的位于该光子晶体三端口环行器10中心位置的第一空气柱的直径扩大到0.8μm，即该磁光材料柱16的直径为0.8μm。选择磁光材料为铋铁石榴石(Bismuth Iron Garnet，BIG)，其对角元参量ε₀和非对角元参量ε_a分别选为6.25和0.0517。

进一步，对上述的结构参数进行优化：设置光从该第一波导端口171入射，分别在三个波导端口设置光功率探测点计算得到相应光反射功率、光传输功率和光隔离功率的光谱，通过调整所述的第二空气柱13、第三空气柱14和第四空气柱15三种不同空气柱的直径，得到的光谱图如图2所示。根据光谱图可知，该光子晶体三端口环行器10的最佳工作频率为a/λ＝0.352，最佳工作波长为λ＝(1/0.352)μm，即2.841μm，对应获得输出波导端口181的光功率最大值为93％，光损耗和光反射总和达到最小值3％，对应隔离波导端口191的光功率为4％。此时，所述的第二空气柱13、第三空气柱14和第四空气柱15的直径分别为0.36μm、0.78μm和0.86μm。由于结构的旋转对称性，上述得到的优化参数对于光从该第二波导端口181和该第三波导端口191入射的情况同样适用。

根据上述的参数检验光子晶体环行器件的工作性能：

如图3所示，光从该第一波导端口171入射，由于所述的磁光腔的旋光效应，所述的磁光腔内磁场的波矢旋转到与该第三波导19隔离而与第二波导18平行的方向，结果光从该第二波导端口181出射，其功率约为93％，第三波导端口191处于隔离状态，其功率约为4％。

如图4所示，光从该第二波导端口181入射，由于所述的磁光腔的旋光效应，所述的磁光腔内磁场的波矢旋转到与该第一波导17隔离而与该第三波导19平行的方向，结果光从该第三波导端口191出射，其功率约为93％，该第一波导端口171处于隔离状态，其功率约为4％。

如图5所示，光从该第三波导端口191入射，由于所述的磁光腔的旋光效应，所述的磁光腔内磁场的波矢旋转到与该第二波导18隔离而与该第一波导17平行的方向，结果光从该第一波导端口171出射，功率约为93％，该第二波导端口181处于隔离状态，功率约为4％。

本发明提供的光子晶体三端口环行器实现将入射光从该第一波导端口171到该第二波导端口181、该第二波导端口181到该第三波导端口191、该第三波导端口191到该第一波导端口171的单方向环行传输功能，传输的波导端口与隔离的波导端口光功率的比值为13.7dB。

本发明可以根据需要选择其它与氮化镓材料功能性质类似的材料作为介质背景材料，也可选择其它与铋铁石榴石材料功能性质类似的材料作为填充第一空气柱的磁光材料。

本发明所述的光子晶体三端口环行器并不限于上述实施方式所述，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、系统中的介质背景材料尺寸、第一至第四空气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，本发明所述的光子晶体三端口环行器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、红外波段或可见光波段等。具体实施为：给定工作波长λ₁，选取晶格常数a₁＝a(λ₁/λ)＝0.352λ₁，其中a和λ分别为以上实施例中的晶格常数和工作波长，将系统中的光子晶体晶格常数、系统中的介质背景材料尺寸、第一至第四空气柱的尺寸以及磁光材料柱的尺寸等参数都同比例缩放为以上实施例中所述值的(λ₁/λ)倍。选定工作波长λ₁＝1.550μm，该波长对应的晶格常数a₁为0.546μm，第一空气柱12的截面直径为0.393μm，磁光材料柱16的直径为0.437μm，第二空气柱13、第三空气柱14和第四空气柱15的直径分别为0.197μm、0.426μm和0.470μm。该环行器在工作波长1.550μm具有单方向环行功能：从第一波导端口171入射的光从第二波导端口181出射，其功率约为93％，第三波导端口191处于隔离状态，其功率约为4％；从第二波导端口181入射的光从第三波导端口191出射，其功率约为93％，第一波导端口171处于隔离状态，其功率约为4％；从第三波导端口191入射的光从第一波导端口171出射，功率约为93％，第二波导端口181处于隔离状态，功率约为4％。

Claims (8)

1.一种光子晶体三端口环行器，其包括介质背景材料和多个第一空气柱，多个第一空气柱在所述介质背景材料中呈三角晶格对称排列，其特征在于：还包括一磁光腔和三个波导，所述磁光腔位于所述光子晶体三端口环行器的中心位置，所述的三个波导以所述磁光腔为中心对称旋转分布；所述的每一波导都包括一波导端口，每一波导端口都位于每一波导的远离所述磁光腔的位置，所述光子晶体三端口环行器对从一波导端口入射的光进行单方向环行传输。

2.根据权利要求1所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：所述磁光腔包括一磁光材料柱和六个分布在所述磁光材料柱周围的第一空气柱，所述磁光材料柱是由向位于所述光子晶体三端口环行器的中心位置的第一空气柱填充磁光材料，并对其施加与空气柱轴线平行方向的磁场形成。

3.根据权利要求1所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：所述的三个波导汇聚于磁光腔中心，所述的三个波导两两之间呈120度夹角，每个波导都是由介质背景材料填充位于同一列上第一空气柱形成。

4.根据权利要求1所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：所述的光子晶体三端口环行器进一步包括六个第二空气柱，每两个第二空气柱设置在每一个波导的邻近所述磁光腔的位置，所述第二空气柱的直径小于所述的第一空气柱的直径。

5.根据权利要求4所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：所述的光子晶体三端口环行器进一步包括多个第三空气柱和多个第四空气柱，多个第三空气柱和多个第四空气柱按直径递增的顺序依次设置在邻近磁光腔的每两个波导之间的位置，所述第三空气柱的直径大于所述的第一空气柱的直径。

6.根据权利要求1或2所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：所述的由介质背景材料填充而成的波导的长度范围为na，其中n为大于2的自然数。

7.根据权利要求1或2所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：所述的周期分布于介质背景材料中的第一至第四空气柱和所述的磁光材料柱的截面为圆型、四边形、五边形，或六边形。

8.根据权利要求5所述的光子晶体三端口环行器，其特征在于：组成光子晶体的第一至第四空气柱为低折射率的介质背景材料。

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