CN102544660B - 基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，包括以下步骤：将两块磁导率为张量的各向异性磁回旋媒质材料表面相接触，以形成磁畴壁，并确定好准备作为传输波导的磁畴壁的平面；对两块磁回旋媒质外加磁场，磁场方向为平行于磁畴壁且垂直于磁回旋媒质平面，且两块旋磁媒质外加磁场方向相反；根据外加磁场的大小，计算给出入射信号的单向模式频率范围；根据外加磁场方向，确定给出入射信号的单向模式的方向。本发明可以使电磁波从垂直去磁场方向从接触面的一端入射到另外一端，而相对入射的电磁波得到抑制，且在不需要辅助波导的情况下，使电磁波局域在接触面上，实现电磁波低损耗，宽频高效的传输。

Description

基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法

技术领域

本发明涉及电磁波传输控制技术领域，特别是涉及一种基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法。

背景技术

各向异性的磁回旋材料，主要是指铁氧体，单晶铁氧体主要是指钇铁石榴石(YIG)，可以制成体材料单晶。铁氧体与其他铁磁材料的差别在于一般铁磁材料具有高地电导率，是导体，而铁氧体是高导磁体又是性能优良的绝缘体。当铁氧体被具有一定方向的恒定磁场沿某一方向磁化后，它具有磁回旋媒质的特性，这就是旋磁媒质。通常在微波和光波段常用的旋磁媒质就是磁化铁氧体。

这种材料在沿着饱和磁化方向，磁导率成为厄米矩阵，通常表示为： $\stackrel{\↔}{\mathrm{\μ}}=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\μ}}_1& {\mathrm{j\μ}}_2& 0\\ -{\mathrm{j\μ}}_2& {\mathrm{\μ}}_1& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\μ}}_3\end{array}\right),$ 其中 ${\mathrm{\μ}}_1={\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2}),$ ${\mathrm{\μ}}_2={\mathrm{\μ}}_0\frac{\mathrm{\ω}{\mathrm{\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2},$ μ₃＝μ₀，ω₀为进动角频率，ω_m为铁磁的特征频率。这种材料有着一系列旋光效应，诸如沿垂直于磁化方向传播的平面波，有科顿-冒顿效应，沿平行于磁化方向传播的平面波有法拉第效应。近年来，随着拓扑绝缘体被发现，类比拓扑绝缘体，此种材料被用来制作光子晶体，被称为旋磁光子晶体，此种光子晶体在边界上由于只有一个方向的群速度，可以形成具有单向传输电磁波的波导。

而由于现有的电磁波在波导中的传播方式都有着这样和那样的不足：例如，以磁性光子晶体的单向波导的传输，因光子晶体对于频率依赖比较敏感，一旦入射波频率稍有偏差，局域波导传输就会大打折扣，由于光子晶体制作工艺要求较高，成本要求较高，如果参数有稍微的偏离就会是传输性质收到较大的影响；而以金属波导传输电磁波的方式，一方面金属存在会有较强的吸收，电磁波会有损耗，另一方面一旦金属波导制定好对它进行频率的调控比较困难，而且不具有单向传输的特性，如果制作的不好会有较大的反射。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，使得电磁波低损耗，宽频高效的传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，包括以下步骤：

(1)将两块磁导率为张量的各向异性磁回旋媒质材料表面相接触，以形成磁畴壁，并确定好准备作为传输波导的磁畴壁的平面；

(2)对两块磁回旋媒质加磁场，磁场方向为平行于磁畴壁且垂直于磁回旋媒质平面，且两块旋磁媒质外加磁场方向相反；

(3)根据外加磁场的大小，计算给出入射信号的单向模式频率范围；根据外加磁场方向，确定给出入射信号的单向模式的方向。

所述步骤(3)中还包括通过调节外加磁场的大小，改变入射信号的频率范围的步骤。

所述步骤(3)中还包括通过调节外加磁场方向，改变入射信号传播方向，或停止入射信号的传播。

所述步骤(3)中波导允许传播的单向模式频率范围为ω₂～ω₁，

ω₂＝γ(B₀H₀)^1/2，其中，γ为磁回旋媒质的旋磁比，B₀为磁感应强度，H₀为外加的磁场强度，磁感应强度B₀＝H₀+4πM₀，其中，M₀为饱和磁场强度。

所述入射信号为光信号或光束。

所述入射信号为可见光、红外光、微波、或电磁波。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明可以使电磁波从垂直于磁场方向从接触面的一端入射到另外一端，而相对入射的电磁波得到抑制，通过调节外加磁场的方向，可以使得允许传播的单向模式得到翻转，通过调节外加磁场的大小，可以调节允许通过的频率范围，且在不需要辅助波导的情况下，使电磁波局域在接触面上，实现电磁波低损耗，宽频高效的传输。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2A是本发明施加磁场后结构示意图；

图2B是本发明施加磁场后的电磁波传播效果图；

图3是本发明施加磁场后的色散曲线图；

图4是本发明在界面粗糙情况下场图的分布示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

第一步：将两块磁导率为各向异性的旋磁材料的一表面相接触，即将两块磁导率为张量的各向异性磁回旋媒质材料表面相接触，以形成磁畴壁，并确定好准备作为传输波导的磁畴壁的平面。其中，在平行于接触面且垂直于旋磁媒质平面的方向加相反的外磁场，使得两块旋磁材料磁导率张量互为厄米矩阵。

第二步：确定允许传播的模式频率范围和方向。根据外加磁场强度H₀和饱和磁场强度M₀的大小，给出允许传播的单向模式的频率范围ω₂～ω₁，按照公式计算给出磁感应强度B₀＝H₀+4πM₀，进而得到：

ω₂＝γ(B₀H₀)^1/2，γ为旋磁比。根据外加磁场的方向，确定允许传播的单向模式的方向，此时电磁波允许传播的方向，与其中旋磁材料界面的法向(体内到体外)，外加磁场方向(体内到体外)构成符合右手法则的电磁波允许传播，否则抑制。图2A和图2B所示的是基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法的结构示意图及电磁波传播效果图。图3所示的是基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法结构的色散曲线，其中，中间长方形区域为给出的频率范围。图4基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法的界面粗糙情况下场图的分布。

第三步：调节外加磁场的方向可以使得电磁波传输方向相反(调节外加磁场方向与原外加磁场方向相反)或者关闭波导(调节使得两块媒质外加磁场方向相同)；调节外加磁场的大小可以调节该波导允许传输的频率范围，可以覆盖大部分的电磁波范围，只要调节外加静磁场的大小即可。

在本实施方式中，第一步中外加z方向静磁场的典型磁导率参数为1600G时，在4.28GHz时，μ₁＝14μ₀，μ₂＝12.4μ₀，磁回旋媒质厚度为7mm，第二步中频率范围为6.84GHz-10GHz，如图2所示，y＞0区域和y＜0区域分别加-z和+z方向静磁场，传输方向沿+x方向传播。但是并不仅限于该频率范围和该方向，可以通过调节外加磁场大小来改变频率范围，调节外加磁场方向改变传输方向。其中，入射信号可以是光信号或光束，也可以是可见光、红外光、微波和电磁波中的一种。

不难发现，本发明可以使电磁波从垂直于磁场方向从接触面的一端入射到另外一端，而相对入射的电磁波得到抑制，通过调节外加磁场的方向，可以使得允许传播的单向模式得到翻转，通过调节外加磁场的大小，可以调节允许通过的频率范围，且在不需要辅助波导的情况下，使电磁波局域在接触面上，实现电磁波低损耗，宽频高效的传输。

Claims (5)

1.一种基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将两块磁导率为张量的各向异性磁回旋媒质材料表面相接触，以形成磁畴壁，并确定好准备作为传输波导的磁畴壁的平面；

（2）对两块磁回旋媒质外加磁场，磁场方向为平行于磁畴壁且垂直于磁回旋媒质平面，且两块旋磁媒质外加磁场方向相反；

（3）根据外加磁场的大小，计算给出入射信号的单向模式频率范围，即根据外加磁场强度H₀和饱和磁场强度M₀的大小，给出允许传播的单向模式的频率范围ω₂～ω₁，按照公式计算给出磁感应强度B₀=H₀+4πM₀，进而得到：

ω₂=γ(B₀H₀)^1/2，γ为旋磁比；根据外加磁场方向，确定给出入射信号的单向模式的方向，此时电磁波允许传播的方向，与其中旋磁材料界面的法向，外加磁场方向构成符合右手法则的电磁波允许传播，否则抑制。

2.根据权利要求1所述的基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中还包括通过调节外加磁场的大小，改变入射信号的频率范围的步骤。

3.根据权利要求1所述的基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，其特征在于，所述步骤（3）中还包括通过调节外加磁场方向，改变入射信号传播方向，或停止入射信号的传播。

4.根据权利要求1所述的基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，其特征在于，所述入射信号为光信号或光束。

5.根据权利要求1所述的基于各向异性磁回旋媒质的可调控单向波导控制方法，其特征在于，所述入射信号为可见光、红外光、微波、或电磁波。

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