CN102569968A - 电磁波束控制的方法、波束偏转器、分束器及其转换开关 - Google Patents

电磁波束控制的方法、波束偏转器、分束器及其转换开关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电磁波束控制的方法，包括以下步骤：根据所需控制电磁波的工作频率，确定磁场的大小以及相应的旋磁媒质；根据电磁波要分束的数目和/或偏转方向确定磁畴的几何特征；根据所述磁畴的几何特征，通过磁场控制，在旋磁媒质中构造出磁畴，并控制电磁波模式的单向性传播方向。本发明还涉及一种电磁波束控制的方法制作的波束偏转器、波束分束器和分束器-偏转器转化开关。本发明对电磁波束的控制具有低损耗、抗无序、宽频、高效的特点，能广泛应用于全光控制芯片、光互联等领域。

Description

电磁波束控制的方法、波束偏转器、分束器及其转换开关
技术领域
本发明涉及电磁波控制技术领域，特别是涉及一种利用可调旋磁媒质磁畴结构实现电磁波束控制的方法、波束偏转器、分束器及其转换开关。
背景技术
单向波导，主要是指电磁波在其中传播时只存在某个方向的传输模式，理论上讲其他方向的模式得到全部抑制。由于单向波导差不多100％的透过率，以及其可能在光学集成方面的应用得到了广泛的关注。其最直接的应用就是电磁波分束器和偏转器，目前制作单向波导主要是用旋磁或旋电媒质制成光子晶体。利用光子晶体破坏时间反演对称性类比电子体系的量子霍尔效应获得具有单向传输的边界态，形成具有单向传播的电磁波导。然后利用这种单向波导可以制作形成具有单向传输特性的分束器和偏转器。
而由于现有的电磁波分束器和偏转器都有着这样或那样的不足：例如，以磁性光子晶体的分束器，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，分束效果就会大打折扣；又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使电磁波传输性质受到较大的影响。而以金属波导制作的分束器，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，分束和偏转性能均不理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁波束控制的方法及波束调节器，使得电磁波能够稳定地单向传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种电磁波束控制的方法，包括以下步骤：
(1)根据所需控制电磁波的工作频率，确定磁场的大小以及相应的旋磁媒质(即旋磁材料)；
(2)根据电磁波要分束的数目和/或偏转方向确定磁畴的几何特征；
(3)根据所述磁畴的几何特征，通过磁场控制，在旋磁媒质中构造出磁畴，并控制电磁波模式的单向性传播方向。
所述电磁波的工作频率范围为ω1～ω2；
Figure BDA0000130441050000021
ω2＝γ(B0H0)1/2，其中，γ为旋磁媒质的旋磁比，B0为磁感应强度，H0为磁场强度；磁感应强度B0＝H0+4πM0，其中，M0饱和磁场强度。
所述磁畴的几何特征包括磁畴的布局以及电磁波传播方向。
所述电磁波为可见光、红外光或微波。
所述磁场控制通过加外磁场、将旋磁媒质制作成永久磁体或电磁体实现。
所述步骤(3)中，对于单频电磁波而言，在磁畴上电磁波模式的传播方向只能沿着磁畴的一个方向进行；对于多频电磁波而言，磁畴上低频段的电磁波模式的传播方向，与磁畴两侧的磁场方向构成右手手性关系；磁畴上高频段的电磁波模式的传播方向，与磁畴两侧的磁场方向构成左手手性关系。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种利用上述电磁波束控制的方法制作的波束偏转器，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁媒质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个磁畴，从而使电磁波的传播方向沿磁畴偏转。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种利用上述电磁波束控制的方法制作的波束分束器，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁煤质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个以上的磁畴，从而使电磁波的传播方向沿磁畴分开。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种利用上述电磁波束控制的方法制作的分束器-偏转器转化开关，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁煤质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个以上的磁畴，通过磁场控制，打开或关闭其中一个或多个磁畴，实现分束器和偏转器的相互转换。
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：本发明利用磁场控制技术，使旋磁媒质的磁导率获得特定的几何分布，形成具有特定几何特征的磁畴结构，从而能够实现电磁波的控制，得到可调的电磁波束分束器和电磁波束偏转器。通过磁场控制，打开或关闭某些磁畴模式，可以实现分束器和偏转器相互转换，形成磁控分束器-偏转器转化开关。本发明对电磁波束的控制具有低损耗、抗无序、宽频、高效的特点，能广泛应用于全光控制芯片、光互联等领域。
附图说明
图1A是本发明的所涉及的90°分束器的结构示意图；
图1B是本发明所涉及的90°分束器的电磁波传播效果图；
图2A是本发明所涉及的任意角度的分束器的结构示意图；
图2B是本发明所涉及的任意角度的分束器的电磁波传播效果图；
图3A是本发明所涉及的多光束分束器的结构示意图；
图3B是本发明所涉及的多光束分束器的电磁波传播效果图；
图4A是本发明所涉及的90°光束偏转器的结构示意图；
图4B是本发明所涉及的90°光束偏转器的电磁波传播效果图；
图5A是本发明所涉及的任意角度光束偏转器的结构示意图；
图5B是本发明所涉及的任意角度光束偏转器的电磁波传播效果图。
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电磁波束控制的方法，包括以下步骤：
第一步：根据所需控制电磁波的工作频率，确定磁场的大小，以及相应的旋磁媒质。
第二步：按照需要，确定电磁波要分束的数目和/或偏转方向，设计磁畴的几何特征，包括磁畴的布局以及电磁波传播方向。
第三步：按照所设计的磁畴的几何特征，通过磁场控制，在旋磁媒质构造出磁畴。
在上述实施方式中，第一步中根据磁场强度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为ω2～ω1，按照公式计算给出磁感应强度B0＝H0+4πM0，进而得到：
Figure BDA0000130441050000031
ω2＝γ(B0H0)1/2，γ为旋磁媒质的旋磁比。根据磁场的方向，确定允许传播的单向模式的方向，即，磁畴上电磁波模式正向传播的方向，与磁畴两侧的磁场方向构成左手手性关系。符合左手法则的电磁波允许传播，否则抑制。本步骤中一种典型的情况为：选钇铁石榴石作为旋磁媒质且把它的厚度定为7毫米，当在该钇铁石榴石上构造磁畴的静磁场的强度为1600G时，工作频率范围为6.84GHz-10GHz。
本发明还涉及一种利用上述电磁波束控制的方法制作的波束分束器，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁煤质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个以上的磁畴，从而使电磁波的传播方向沿磁畴分开。其原理图如图1、图2和图3所示。其中，图1A是一种90°分束器的结构示意图，图2A代表一种任意角度分束器的结构示意图，图3A则代表了一种多波束分束器的示意图。图1A、图2A和图3A中的黑色和白色区域分别代表磁导率张量互为转置共轭的旋磁媒质，这种特定的磁导率分布可由磁场控制技术，比如在黑色和白色区域中分别施加方向相反的外静磁场即可实现。黑色区域和白色区域之间的边界即为磁畴。作为例子，当黑色区域和白色区域中分别施加方向垂直纸面向外和垂直纸面向里的静磁场方向时，电磁波只能沿着磁畴传播，其入射方向及出射方向由图中的箭头给出。磁畴上电磁波模式正向传播的方向，与磁畴两侧的磁场方向构成左手手性关系。图1B、图2B和图3B分别为电磁波波束分束时，数值实验所给出的场图。
本发明还涉及一种利用上述电磁波束控制的方法制作的波束偏转器，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁媒质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个磁畴，从而使电磁波的传播方向沿磁畴偏转。波束偏转器的器件原理图如图4和图5所示。与上述的分束器同理相同，偏转器的功能也主要由特定的磁畴决定。图4A和图5A分别代表了一种90°偏转器和任意角度偏转器。电磁波只能沿着磁畴传播，其入射方向及出射方向由图中的箭头给出。图4B和图5B分别为电磁波束偏转时，数值实验所给出的场图。
本发明还涉及一种利用上述电磁波束控制的方法制作的分束器-偏转器转化开关，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁煤质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个以上的磁畴，通过磁场控制，打开或关闭其中一个或多个磁畴，实现分束器和偏转器的相互转换。通过控制关闭或打开某个磁畴，可实现本发明涉及的分束器和偏转器的互相转化。关闭或打开某个磁畴的方法，可由磁场控制技术，比如在某个特定的区域让所施加的外磁场反向即可。如图1A中所示的90°分束器，只需在图中标记为“3”的黑色区域，让磁场反向，使相应的磁畴被关闭，从而变成与图4A一样的结构，这样，90°分束器就转化成了90°偏转器。这个的过程是可逆的，我们通过对“3”区域的磁场控制，打开相应的磁畴，也可以把90°偏转器转化成90°分束器。相似的，通过磁场控制，关闭和打开相应的磁畴，如图2A所示的任意角度分束器和如图5A所示的任意角度偏转器也可以实现相互转化。
不难发现，本发明利用磁场控制技术，使旋磁媒质的磁导率获得特定的几何分布，形成具有特定几何特征的磁畴结构，从而能够实现电磁波的控制，得到可调的电磁波束分束器和电磁波束偏转器。通过磁场控制，打开或关闭某些磁畴模式，可以实现分束器和偏转器相互转换，形成磁控分束器-偏转器转化开关。本发明对电磁波束的控制具有低损耗、抗无序、宽频、高效的特点，能广泛应用于全光控制芯片、光互联等领域。

Claims (9)

1.一种电磁波束控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据所需控制电磁波的工作频率，确定磁场的大小以及相应的旋磁媒质；
(2)根据电磁波要分束的数目和/或偏转方向确定磁畴的几何特征；
(3)根据所述磁畴的几何特征，通过磁场控制，在旋磁媒质中构造出磁畴，并控制电磁波模式的单向性传播方向。
2.根据权利要求1所述的电磁波束控制的方法，其特征在于，所述电磁波的工作频率范围为ω1～ω2；
Figure FDA0000130441040000011
ω2＝γ(B0H0)1/2，其中，γ为旋磁媒质的旋磁比，B0为磁感应强度，H0为磁场强度；磁感应强度B0＝H0+4πM0，其中，M0饱和磁场强度。
3.根据权利要求1所述的电磁波束控制的方法，其特征在于，所述磁畴的几何特征包括磁畴的布局以及电磁波传播方向。
4.根据权利要求1所述的电磁波束控制的方法，其特征在于，所述电磁波为可见光、红外光或微波。
5.根据权利要求1所述的电磁波束控制的方法，其特征在于，所述磁场控制通过加外磁场、将旋磁媒质制作成永久磁体或电磁体实现。
6.根据权利要求1所述的电磁波束控制的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对于单频电磁波而言，在磁畴上电磁波模式的传播方向只能沿着磁畴的一个方向进行；对于多频电磁波而言，磁畴上低频段的电磁波模式的传播方向，与磁畴两侧的磁场方向构成右手手性关系；磁畴上高频段的电磁波模式的传播方向，与磁畴两侧的磁场方向构成左手手性关系。
7.一种根据权利要求1-6中任一权利要求所述的电磁波束控制的方法制作的波束偏转器，其特征在于，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁媒质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个磁畴，从而使电磁波的传播方向沿磁畴偏转。
8.一种根据权利要求1-6中任一权利要求所述的电磁波束控制的方法制作的波束分束器，其特征在于，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁煤质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个以上的磁畴，从而使电磁波的传播方向沿磁畴分开。
9.一种根据权利要求1-6中任一权利要求所述的电磁波束控制的方法制作的分束器-偏转器转化开关，其特征在于，包括两块磁导率张量互为转置共轭的旋磁煤质，通过加外磁场、制作成永久磁体或电磁体使所述两块旋磁媒质之间的边界形成相交的两个以上的磁畴，通过磁场控制，打开或关闭其中一个或多个磁畴，实现分束器和偏转器的相互转换。
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