CN101788727B - 基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其包括两个相同的磁光腔，以及每一磁光腔周围对称分布的三个波导，其中，连接磁光腔的两个波导构成“v”形排列，从而保证两个磁光腔左、右两侧连接的波导分别平行，使得磁光腔耦合时获得高效率传输。本发明的环行器利用磁光腔的旋光效应实现腔内电磁场分布模式的旋转，实现对不同波导的光传输和光隔离效果，获得第一端口至第二端口、第二端口至第三端口和第三端口至第四端口的单方向光环行功能。本发明具有结构紧凑、易于集成等优点，在光子晶体器件集成中具有隔离反射光信号、提高系统稳定传输的重要作用。

Description

基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器
技术领域
本发明涉及光子晶体器件和磁光技术等领域，尤其涉及一种基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器。
背景技术
光环行器是集成光学中具有抗干扰作用的重要光器件。光环行器可以在多个端口间形成光的单方向环行传输，使得入射信号能够顺利通过而反射信号获得隔离。这种特性能够大大降低集成光路中器件之间反射光的相互串扰，非常有利于提高系统的稳定性。传统的光环行器主要是基于磁光材料的块材结构，其缺点是体积大且不易与其它器件集成，这些不利因素很大程度上限制了它们在新一代光器件集成中的应用。光子晶体概念的提出及其研究发展为实现小型化、易集成化的磁光环行器开拓了新思路和新方法。
光子晶体是由不同介质按照周期或准周期排列的新型人工材料，它的一个重要特征是存在光子禁带，对应禁带频段的光波不能在晶体中传播。利用这种带隙效应，在光子晶体中引入缺陷即能实现对光子的操控。基于光子晶体独特的光学性质，具有不同功能的器件已经被广泛研制和应用，如光子晶体激光器、光子晶体波分复用器/解复用器、光子晶体谐振腔、光子晶体开关等，它们在新型光子器件中具有不可估量的应用前景。
利用磁光效应设计光子晶体环行器件具有结构紧凑、设计灵活和集成度高的优点，在提高光子晶体器件集成系统的信号稳定性方面具有潜在的应用价值。然而，有关光子晶体磁光环行器的研究还处于初步阶段，而且还都只是基于单个光子晶体磁光腔的结构设计，它们结构形式上的单一性使得环行器在端口拓展方面存在一定的局限性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，通过合理布局两个磁光腔之间的连接波导，在磁光腔耦合作用时获得最佳传输效率和高度光隔离，实现光子晶体中单方向光环行传输的功能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，所述光子晶体由三角对称排列的第一空气柱周期分布于介质背景材料中构成，三角对称排列的第一空气柱具体是指阵列中任何相邻三个第一空气柱的中心连线构成等边三角形，还包括两个相同的第一磁光腔和第二磁光腔，以及在第一磁光腔周围对称分布的第一波导、第二波导、第三波导和在第二磁光腔周围对称分布的第四波导、第五波导、第六波导，中间连接第一磁光腔和第二磁光腔的第三波导和第四波导构成“v”形排列，所述第二波导和第四波导、所述第三波导和第五波导分别平行；所述第一磁光腔与所述第一波导、第二波导、第三波导的衔接处均设立两个第二空气柱，所述第二磁光腔与所述第四波导、第五波导、第六波导的衔接处同样均设立两个第二空气柱，该第二空气柱的直径小于所述的第一空气柱的直径；靠近第一磁光腔的第一波导和第二波导、第一波导和第三波导以及第二波导和第三波导之间分别设置两排直径递增的第三空气柱和第四空气柱，靠近第二磁光腔的第四波导和第五波导、第四波导和第六波导以及第五波导和第六波导之间同样分别设置两排直径递增的第三空气柱和第四空气柱，所述第四空气柱的直径大于所述第三空气柱的直径，第三空气柱的直径大于所述第一空气柱的直径。
在本发明中，所述第三波导和第四波导连接处具有的上下位置的第五空气柱和第六空气柱都沿着平行于第一波导和第六波导的方向向上移动所述光子晶体的晶格常数一半的距离。
在本发明中，所述第一磁光腔和第二磁光腔均包括一磁光材料柱和六个对称分布在该磁光材料柱周围的第一空气柱，该磁光材料柱是在磁光材料填充一个第一空气柱的基础上并对其施加与第一空气柱轴线平行方向的磁场而形成。
在本发明中，所述第一波导至第六波导是利用介质背景材料填充一列第一空气柱而形成，并且波导长度至少为三个所述光子晶体的晶格常数。
在本发明中，所述第一磁光腔周围对称分布的第一波导、第二波导及第三波导之间的相邻夹角为120度，所述第一波导、第二波导及第三波导的交线汇聚于第一磁光腔中心；所述第二磁光腔周围对称分布的第四波导、第五波导及第六波导之间的相邻夹角为120度，所述第四波导、第五波导及第六波导的交线汇聚于第二磁光腔中心。
在本发明中，所述构成“v”形排列的第三波导和第四波导的长度相同，并且两波导之间夹角为120度。
在本发明中，所述光子晶体中的第一空气柱至第六空气柱以及两个磁光材料柱的截面为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。
在本发明中，所述光子晶体中的第一空气柱至第六空气柱为低折射率材料的介质柱。
在本发明中，所述光子晶体的介质背景材料为氮化镓材料，所述填充第一空气柱的磁光材料为铋铁石榴石材料。
相较于现有技术，本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器利用磁光腔的旋光效应，对不同波导实现光传输和光隔离效果，成功获得四个端口间的单方向光环行功能，通过合理布局连接磁光腔的波导，实现两个磁光腔左、右两侧的波导分别平行，使得磁光腔耦合作用时获得最佳传输效果；另外，本发明的结构紧凑，易与其它光子晶体器件实现集成，在光子晶体器件集成中具有隔离反射信号、提高系统稳定传输的重要作用。
附图说明
图1为本发明的第一磁光腔和第二磁光腔耦合的二维光子晶体四端口环行器示意图。
图2为本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器的光谱示意图，其中，第一端口21为光输入端口，其中实线对应传输第二端口22的光功率，虚线对应隔离第三端口23的光功率，点线对应隔离第四端口24的光功率，点虚线对应光损耗和光反射的功率总和。
图3为本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器的光谱示意图，其中，第二端口22为光输入端口，其中实线对应传输第三端口23的光功率，虚线对应隔离第一端口21或第四端口24的光功率，点线对应光损耗和光反射的功率总和。
图4为本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器光传输示意图，其中，入射端口为第一端口21，出射端口为第二端口22，第三端口23和第四端口24为隔离端口。
图5为本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器光传输示意图，其中，入射端口为第二端口22，出射端口为第三端口23，第一端口21和第四端口24为隔离端口。
图6为本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器光传输示意图，其中，入射端口为第三端口23，出射端口为第四端口24，第一端口21和第二端口22为隔离端口。
具体实施方式
下面根据附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
如图1所示，二维光子晶体由介质背景材料中周期分布的第一空气柱10组成，晶格常数a设定为1μm，直径d为0.72μm的第一空气柱10呈三角对称排列，即任何相邻三个第一空气柱10的中心连线构成等边三角形。介质背景材料可以选择折射率为2.5的氮化镓(GaN)材料。根据平面波展开方法计算表明，该介质-空气柱型光子晶体存在较宽的TE极化波(磁场沿z方向)光子带隙，带隙宽度从归一化频率a/λ＝0.307到a/λ＝0.418，其中λ代表光波长。
在以上的光子晶体中，扩大两个第一空气柱10(沿x轴方向间隔五个第一空气柱)的直径到0.8μm，并将它们填充磁光材料和施加与第一空气柱10轴线平行的磁场，即形成两个相同的磁光材料柱(在图1中用网格线标示)，每一磁光柱与周围临近的六个第一空气柱10构成一磁光腔，即第一磁光腔11和第二磁光腔12。该第一磁光腔11和第二磁光腔12之间通过“v”形排列的第三波导3和第四波导4连接形成耦合结构，“v”形结构的夹角为120度，即第三波导3和第四波导4的夹角为120度，第一磁光腔11和第二磁光腔12还分别连接第一波导1和第二波导2及第五波导5和第六波导6，第一波导1至第六波导6均是利用背景介质材料填充一列第一空气柱10而形成。第一波导1、第二波导2及第三波导3对应第一磁光腔11；第四波导4、第五波导5及第六波导6对应第二磁光腔12，其中，该第一波导1、第二波导2及第三波导3的交线汇聚于第一磁光腔11的中心，该第四波导4、第五波导5及第六波导6的交线汇聚于第二磁光腔12的中心，并且每组三个波导的相邻夹角为120度。该第一波导1对应端口21、该第二波导2对应端口22、该第五波导5对应端口23、该第六波导6对应端口24。连接第一磁光腔11和第二磁光腔12的第三波导3和第四波导4构成“v”形排列，则第一磁光腔11和第二磁光腔12左侧连接的第二波导2、第四波导4平行，第一磁光腔11和第二磁光腔12右侧连接的第三波导3、第五波导5平行。为提高磁光腔与波导之间的耦合效率，在该第一磁光腔与该第一波导1、第二波导2、第三波导3的衔接处均设立两个第二空气柱13，在该第二磁光腔与该第四波导4、第五波导5、第六波导6的衔接处同样设立两个第二空气柱13，该第二空气柱13的直径为0.36μm。
磁光材料在施加与第一空气柱10轴线平行(z轴)的磁场后，它的介电参量可以用一个三维张量表示：
ϵ ↔ = ϵ xx ϵ xy ϵ xz ϵ yx ϵ yy ϵ yz ϵ zx ϵ zy ϵ zz = ϵ 0 i ϵ a 0 - i ϵ a ϵ 0 0 0 0 ϵ 0 - - - ( 1 )
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εa反应施加外磁场后的磁光效应强度。在上述光子晶体磁光腔中，所产生的磁光效应能够使点缺陷腔支持的本征模式形成相互耦合作用，导致腔中电磁场分布模式发生旋转变化，即光子晶体磁光腔的旋光效应。当特定波长的光从磁光腔的某个波导入射时，磁光腔的旋光效应能够使腔内磁场的波矢对磁光腔另外连接的两个波导分别产生平行和偏离效果，与波矢平行的波导则获得光传输状态，而与波矢偏离的波导则获得光隔离状态。对于填充第一空气柱的磁光材料，可以选择铋铁石榴石(Bismuth Iron Garnet，BIG)，其对角元参量ε0和非对角元参量εa分别选定为6.25和0.0517。
为提高光子晶体环行器中波导传输效率和降低波导间的干扰，在靠近第一磁光腔11的第一波导1和第二波导2、第一波导1和第三波导3以及第二波导2和第三波导3之间设置两排直径递增的第三空气柱14和第四空气柱15，靠近第二磁光腔的第四波导4和第五波导5、第四波导4和第六波导6以及第五波导5和第六波导6之间同样设置两排直径递增的第三空气柱14和第四空气柱15，如图1所示。设置光从第一波导1的第一端口21入射，分别在第一端口21、第二端口22、第三端口23以及第四端口24设置探测点获得相应的光功率，其中在第一端口21测反射光功率，在第二端口22、第三端口23以及第四端口24测透射光功率。通过调节图1中第三空气柱14和第四空气柱15的直径，得到最佳光谱如图2所示。结果表明，当环行器工作频率选择在a/λ＝0.352时，输出第二端口22的光功率达到最大值96％，隔离第三端口23和第四端口24的光功率分别为1.5％和0.0001％，此时对应光损耗和光反射的总和达到最小值，约为2.5％。该第三空气柱14和第四空气柱15的直径优化结果分别为0.78μm和0.86μm.根据结构的对称性，以上优化结果同样适用于光从第五波导5的第三端口23入射的情况。
为降低该连接第一磁光腔11和第二磁光腔12的呈“v”形排列的第三波导3和第四波导4的拐角损耗，对第三波导3和第四波导4连接处的上下分布的第五空气柱16和第六空气柱17的位置进行调整。设置光从第二端口22入射，分别在第一端口21、第二端口22、第三端口23以及第四端口24设置探测点获得相应的光功率，其中，在第二端口22测反射光功率，在第一端口21、第三端口23和第四端口24测透射光功率。通过调整第五空气柱16和第六空气柱17的位置，得到最佳光谱如图3所示。结果表明，该上下分布的第五空气柱16和第六空气柱17均沿平行于第一波导1和第六波导6的方向(y轴)向上移动光子晶体晶格常数一半的距离，即a/2，输出第三端口23的光功率在归一化频率a/λ＝0.352达到最大值97％，隔离第一端口21和第四端口24的光功率分别都为0.01％，此时对应光损耗和光反射总和达到最小值2.98％。
本发明基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器实现第一端口21到第二端口22、第二端口22到第三端口23和第三端口23到第四端口24的单方向环行传输特性，针对不同的波导端口分布获得高效率传输和高度的光隔离效果。运用时域有限差分方法模拟光子晶体环行器的电场强度分布图来验证它的工作性能，结构周围采用完全匹配层吸收边界条件，入射光为单频的高斯连续光源。环行器的工作波长选择为λ＝(1/0.352)μm，即2.841μm。
参照图4，光从第一端口21入射，由于磁光腔的旋光效应，第一磁光腔11内磁场的波矢旋转到与第三波导3偏离而与第二波导2平行的方向，结果光从第二端口22出射，功率约为96％，第三端口23和第四端口24处于隔离状态，功率分别为1.5％和0.0001％。此情况仅第一磁光腔11处于工作状态。传输的第二端口22与隔离的第三端口23和第四端口24的光功率比值分别为18.1dB和59.8dB。
参照图5，光从第二端口22入射，此时第一磁光腔11和第二磁光腔12均处于工作状态，最后光从第三端口23出射，功率约为97％，第一端口21和第四端口24处于隔离状态，功率分别都为0.01％。第一磁光腔11和第二磁光腔12左、右两侧的波导分别平行，即第二波导2和第四波导4平行、第三波导3和第五波导5平行，此平行保证第一磁光腔11和第二磁光腔12处于高效率的耦合状态。传输的第三端口23与隔离的第一端口21和第四端口24光功率的比值均为39.9dB。
参照图6，光从第三端口23入射，由于磁光腔的旋光效应，第二磁光腔12内磁场的波矢旋转到与第四波导4偏离而与第六波导6平行的方向，结果光从第四端口24出射，功率约为97％，第一端口21和第二端口22处于隔离状态，功率分别为0.0001％和1.5％。此情况仅第二磁光腔12处于工作状态。传输的第四端口24与隔离的第一端口21和第二端口22光功率的比值分别为59.8dB和18.1dB。
在上述实施方式中，三角对称排列的第一空气柱具体是指阵列中任何相邻三个第一空气柱的中心连线构成等边三角形。
在上述实施方式中，光子晶体中的第一空气柱至第六空气柱、磁光材料柱的截面可以为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形等。
在上述实施方式中，第一波导至第六波导的长度至少为三个所述光子晶体的晶格常数，并且可以根据实际需要增加波导长度，环行器的单方向光环行功能不变。
在上述实施方式中，旋光效应具体是指利用磁光材料填充光子晶体中的单个第一空气柱而形成点缺陷磁光腔后，磁光效应会使点缺陷支持的本征模式产生相互耦合作用，导致腔中磁场分布模式发生旋转变化。
在上述实施方式中，磁光腔与波导衔接处设立的第二空气柱13具备双重作用，当所连接波导处于光传输状态时，它们起到腔-波导的耦合作用；当所连接波导处于光隔离状态时，它们起到腔-波导的隔离作用。
在上述实施方式中，靠近腔的每两个波导之间设置两个周期直径递增的第三空气柱14和第四空气柱15，一方面可以降低波导之间的干扰，另一方面可以提高传输波导的效率。
在上述实施方式中，当光从第一端口21到第二端口22传输时，仅第一磁光腔11处于工作状态，第一波导1和第二波导2为光传输状态，而第三波导3、第四波导4、第五波导5和第六波导6为光隔离状态；当光从第二端口22到第三端口23传输时，第一磁光腔11和第二磁光腔12均处于工作状态，第二波导2、第三波导3、第四波导4和第五波导5为光传输状态，而第一波导1和第六波导6为光隔离状态；当光从第三端口23到第四端口24传输时，仅第二磁光腔12处于工作状态，第五波导5和第六波导6为光传输状态，而第一波导1、第二波导2、第三波导3和第四波导4为光隔离状态。该环行器的最佳工作波长为λ＝a(1/0.352)μm，即2.841μm。
本发明所述的三端口光子晶体环行器并不限于上述实施方式所述，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、第一空气柱至第六空气柱的尺寸、磁光材料柱的尺寸等参数的关系满足正比关系，本发明所述的三端口光子晶体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，将系统中的介质背景材料尺寸、第一空气柱至第六空气柱的尺寸、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，第一空气柱的截面直径为0.393μm，磁光材料柱的直径为0.437μm，第二空气柱、第三空气柱和第四空气柱的直径分别为0.197μm、0.426μm和0.470μm，第五空气柱和第六空气柱的直径都为0.393μm。该环行器在工作波长1.550μm具有单方向环行功能：从第一端口21入射的光从第二端口22出射，功率约为96％，第三端口23和第四端口24处于隔离状态，功率分别为1.5％和0.0001％，仅第一磁光腔11处于工作状态；从第二端口22入射的光从第三端口23出射，功率约为97％，第一端口21和第四端口24处于隔离状态，功率分别都为0.01％，第一磁光腔11和第二磁光腔12均处于工作状态；从第三端口23入射的光从第四端口24出射，功率约为97％，第一端口21和第二端口22处于隔离状态，功率分别为0.0001％和1.5％，仅第二磁光腔12处于工作状态。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，所述光子晶体由三角对称排列的第一空气柱周期分布于介质背景材料中构成，三角对称排列的第一空气柱具体是指阵列中任何相邻三个第一空气柱的中心连线构成等边三角形，其特征在于：包括两个相同的第一磁光腔和第二磁光腔，以及在第一磁光腔周围对称分布的第一波导、第二波导、第三波导和在第二磁光腔周围对称分布的第四波导、第五波导、第六波导，中间连接第一磁光腔和第二磁光腔的第三波导和第四波导构成“v”形排列，所述第二波导和第四波导、所述第三波导和第五波导分别平行；所述第一磁光腔与所述第一波导、第二波导、第三波导的衔接处均设立两个第二空气柱，所述第二磁光腔与所述第四波导、第五波导、第六波导的衔接处同样均设立两个第二空气柱，该第二空气柱的直径小于所述的第一空气柱的直径；靠近第一磁光腔的第一波导和第二波导、第一波导和第三波导以及第二波导和第三波导之间均设置一排第三空气柱和一排第四空气柱，靠近第二磁光腔的第四波导和第五波导、第四波导和第六波导以及第五波导和第六波导之间同样均设置一排第三空气柱和一排第四空气柱，所述第四空气柱的直径大于所述第三空气柱的直径，第三空气柱的直径大于所述第一空气柱的直径。
2.根据权利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述第三波导和第四波导连接处具有的上下位置的第五空气柱和第六空气柱都沿着平行于第一波导和第六波导的方向向上移动所述光子晶体的晶格常数一半的距离。
3.根据权利要求2所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述第一磁光腔和第二磁光腔均包括一磁光材料柱和六个对称分布在该磁光材料柱周围的第一空气柱，该磁光材料柱是在磁光材料填充一个第一空气柱的基础上并对其施加与第一空气柱轴线平行方向的磁场而形成。
4.根据权利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述第一波导至第六波导是利用介质背景材料填充一列第一空气柱而形成，并且波导长度至少为三个所述光子晶体的晶格常数。
5.根据权利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述第一磁光腔周围对称分布的第一波导、第二波导及第三波导之间的相邻夹角为120度，所述第一波导、第二波导及第三波导的交线汇聚于第一磁光腔中心；所述第二磁光腔周围对称分布的第四波导、第五波导及第六波导之间的相邻夹角为120度，所述第四波导、第五波导及第六波导的交线汇聚于第二磁光腔中心。
6.根据权利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述构成“v”形排列的第三波导和第四波导的长度相同，并且两波导之间夹角为120度。
7.根据权利要求3所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述光子晶体中的第一空气柱至第六空气柱以及两个磁光材料柱的截面为圆形、三角形、四边形、五边形或六边形。
8.根据权利要求3所述的基于磁光腔耦合的光子晶体四端口环行器，其特征在于：所述光子晶体的介质背景材料为氮化镓材料，所述填充第一空气柱的磁光材料为铋铁石榴石材料。
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