CN105572918A - 基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，包括一个具有TE禁带的光子晶体十字波导；光路开关还包括一个输入端(1)、三个输出端(2、3、4)、背景硅介质柱(5)、等腰直角三角形缺陷介质柱(6)和缺陷介质柱(7)，光路开关还包括一个提供偏置磁场的电磁铁；光子晶体十字波导的左端为输入端(1)；输出端(2、3、4)分别位于光子晶体十字波导的下端、右端、上端；缺陷介质柱(7)位于十字波导中心交叉处；光子晶体波导由端口(1)输入TE光，输出信号从端口(2)或端口(4)输出。本发明结构体积小，便于集成，可以短程高效地实现TE载波光信号磁控二选一光路开关。

Description

基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关

技术领域

本发明涉及磁控二选一光路开关更具体地说，本发明涉及一种基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关。

背景技术

传统的磁控二选一光路开关应用的是几何光学原理，因此体积都比较大，无法用于光路集成中。磁光材料与新型光子晶体的结合导致提出了许多光子器件，其最主要的性质是电磁波在偏置磁场下表现出的旋磁非互易性，使磁性光子晶体不仅具有旋光特性，还有着更大的传输带宽和更高的传播效率。以光子晶体为基础的微小的器件，例如磁控二选一光路开关，其光子晶体十字波导通过引入线缺陷来构建。光开关是光通信和光学计算的最基本部件，具有广泛应用价值，紧凑型光开关是集成光路芯片的基本单元。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小，高效短程便于集成的光子晶体磁控二选一光路开关。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，包括一个具有TE禁带的光子晶体十字波导；所述发生器还包括一个输入端1、三个输出端2、3、4、背景硅介质柱5、等腰直角三角形缺陷介质柱6和缺陷介质柱7，所述光路开关还包括一个提供偏置磁场的电磁铁8，所述光子晶体十字波导的左端为输入端1，所述输出端2、34分别位于光子晶体十字波导的下端、右端、上端；所述缺陷介质柱7位于十字波导中心交叉处；所述4个等腰直角三角形缺陷介质柱6分别位于十字波导交叉的四个拐角处；所述光子晶体波导由端口1输入TE光，输出信号从端口2或端口4输出，即输入端1选择性地与端口2或端口4连接。

所述调制器进一步包括导线9、极性可控电流源10和电子开关11。所述电磁铁8的一端与可控电流源10的一端相连接；所述电磁铁8的另一端通过导线9与极性可控电流源10的另一端相连接；所述极性可控电流源10与电子开关11相连接。

所述光子晶体为二维正方晶格光子晶体。

所述光子晶体由高折射率材料和低折射率材料组成；所述高折射率材料为硅或折射率大于2的介质；所述低折射率介质为空气或折射率小于1.4的介质。

所述十字波导为光子晶体中移除中间一横排和中间一竖排介质柱后的结构。

所述十字波导交叉拐角处的背景介质柱5删除一个角以形成等腰直角三角形缺陷介质柱，该等腰直角三角形缺陷介质柱6为三角柱型。

所述背景硅介质柱5的形状为正方形。

所述正方形硅介质柱以介质柱轴线z轴方向逆时针旋转41度。

所述缺陷介质柱7为铁氧体方柱，其形状为正方形，所述铁氧体方柱的磁导率为各向异性，且受偏置磁场的控制，偏置磁场方向沿着铁氧体方柱的轴线方向。

所述端口4为调制输出端。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

(1)结构体积小，开关时间响应快，光传输效率高，适合大规模光路集成；

(2)便于集成，可以短程高效地实现TE光信号磁控二选一光路开关，具有极大的实用价值；

(3)应用光子晶体可等比例缩放的特性，通过等比例改变晶格常数的方法，可以实现不同波长磁控二选一光路开关的功能；

(4)高对比度、高隔离度，同时还具有较宽的工作波长范围，可以允许有一定频谱宽度的脉冲，或高斯光，或不同波长的光工作，或多个波长的光同时工作，具有实用意义。

附图说明

图1是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的一种结构示意图。

图中:输入端1输出端2输出端3输出端4背景硅介质柱5等腰直角三角形缺陷介质柱6缺陷介质柱7

图2是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的另一种结构示意图。

图中:电磁铁8导线9极性可控电流源10电子开关11

图3是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关结构参数分布图。

图4是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的开关波形图。

图5(a)是实施例1中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关对比度图。

图5(b)是实施例1中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关隔离度图。

图6(a)是实施例2中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关对比度图。

图6(b)是实施例2中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关隔离度图。

图7(a)是实施例3中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关对比度图。

图7(b)是实施例3中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关隔离度图。

图8是本发明的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的光场分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的结构示意图(删除偏置电路和偏置线圈)，包括一个具有TE禁带的光子晶体十字波导，所述光路开关还包括一个输入端1、三个输出端2、3、4、背景硅介质柱5、等腰直角三角形缺陷介质柱和缺陷介质柱7；本器件初始信号光从左方端口1入射，端口2输出光波，端口3和端口4隔离光波；光子晶体十字波导的左端为输入端1，输出端口2、3、4分别位于光子晶体十字波导的下端、右端、上端，光子晶体波导由端口1输入TE光，开关11控制信号再分别从端口2或端口4输出，即端口1选择与端口2和端口4相连接；背景硅介质柱5形状为正方形，光轴方向垂直纸面向外，等腰直角三角形缺陷介质柱6为，十字波导交叉拐角处的背景介质柱5删除一个角以形成等腰直角三角形缺陷介质柱，该等腰直角三角形缺陷介质柱6为三角柱型，4个等腰直角三角形缺陷介质柱6分别位于十字波导交叉的四个拐角处，光轴方向与背景介质柱相同，缺陷介质柱7位于十字波导中心交叉处，该缺陷介质柱7为铁氧体方柱，其形状为正方形，铁氧体方柱的磁导率为各向异性，且受偏置磁场的控制，偏置磁场方向沿着铁氧体方柱的轴线方向，光轴方向垂直纸面向外；该铁氧体方柱的磁导率为各向异性，且受偏置磁场的控制，偏置磁场方向沿着铁氧体方柱的轴线方向。如图2所示，本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的结构示意图(含有偏置电路和偏置线圈)，光路开关包括一个提供偏置磁场的电磁铁8(电磁铁线圈)，光路开关还包括导线9、极性可控电流源10和电子开关11；电磁铁8的一端与极性可控电流源10的一端相连接，电磁铁8的另一端通过导线9与极性可控电流源10的另一端相连接；极性可控电流源10与电子开关11相连接。本发明磁控二选一光路开关如图1和图3所示采用笛卡尔直角坐标系：x轴正方向为水平向右；y轴正方向为在纸面内竖直向上；z轴正方向为垂直于纸面向外。

如图3所示，本器件的相关参数为：

d₁＝a(晶格常数)

d₂＝0.3a(方形硅柱边长)

d₃＝0.2817a(正方形缺陷介质柱边长)

d₄＝0.3a(等腰直角三角形缺陷柱腰长)

d₅＝1.2997a(等腰直角三角形缺陷柱斜边到方形缺陷柱中心的距离)

d₆＝1.577a(波导宽长)

本发明光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，介质柱边长为0.3a，在光子晶体正方形硅介质柱参考介质柱轴线方向(z轴)逆时针旋转41度时，采用平面波展开法得到光子晶体中TE禁带结构，其光子TE禁带为0.3150至0.4548(ωa/2πc)，其中间的任何频率的光波将被限制在波导中，正方晶格介质柱参考介质柱轴线方向(z轴)逆时针旋转41度后，获得了更大更宽的禁带范围。

本发明所使用硅介质波导需要删除一行和一列介质柱而形成导波波导。波导平面垂直于光子晶体中的介质柱的轴线。通过在上述十字波导中心交叉处引入一个铁氧体方柱(正方形缺陷柱7)，其边长为0.28a，4个等腰直角三角形缺陷介质柱5斜边面分别到铁氧体柱(正方形缺陷介质柱7)轴线的距离为1.2997a。铁氧体方柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。

本发明的原理介绍主要针对磁光介质加以解释。铁氧体是一种磁各向异性的材料，铁氧体的磁各向异性是由外加直流偏置磁场所诱导的。该磁场使铁氧体中的磁偶极子循同一方向排列，从而产生合成的磁偶极距，并使磁偶极子在由偏置磁场强度所控制的频率下做进动。通过调整偏置磁场强度可控制与外加微波信号的相互作用，从而实现光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关。在偏置磁场的作用下，铁氧体的磁导率张量表现为非对称性，其中铁氧体张量磁导率[μ]为：

磁导率张量的矩阵元由以下方程给出：

ω₀＝μ₀γH₀(2)

ω_m＝μ₀γM_s(3)

ω＝2πf(4)

$\mathrm{\μ}={\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2})---\left(5\right)$

$k={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{\ω\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}^2}---\left(6\right)$

其中，μ₀为真空中的磁导率，γ为旋磁比，H₀为外加磁场，M_S为饱和磁化强度，为工作频率，p＝k/μ为归一化磁化频率，也叫分离因子，参数μ和k决定不同铁氧体材料，具有这种形式的磁导率张量的材料称为旋磁性的，假定偏置的方向是相反的，则H₀和M_S将改变符号，所以旋转方向也会相反。

铁氧体方柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。

偏置磁场由偏置电磁铁产生，偏置电磁铁中加载有偏置电流，该偏置电流为控制信号；偏置电流为正(负)值时，一个光路为选通(关闭)，另一个光路处于关闭(选通)。

通过调节偏置磁场H的大小来确定符合H＝H₀时，光从端口4输出，H＝-H₀时，光从端口2输出。从而实现磁控二选一光路开关。

磁控二选一光路开关，一般通过以下方法实现：在偏置磁场下，将光子晶体的光子禁带和光子局域特性与磁光介质的旋磁特性相结合，利用法拉第旋转效应，使光旋转所需要的角度，由两个端口中的任一个端口输出，即端口1选择与端口2和端口4相连接。从而使端口输出的光的强度会发生变化，实现了光开关的作用。

通过数值扫描计算得到，d₂＝0.3a，d₃＝0.2817a，d₅＝1.2997a，归一化光波频率f＝0.4121，相对介电常数ε_r＝12.9，光信号从端口2输出最大值，且从端口4输出最小。当偏置磁场方向改变时，H₀和M_S的符号改变，使光信号的环形方向应改变。因此，光信号从端口4输出最大值，且从端口2输出最小。

当在硅介质柱阵列波导中引入上述缺陷后，入射信号端口位于图1所示左方端口1的位置，该端口1处为TE光信号。光信号在以硅介质柱5的介质柱阵列形成的波导中传播，TE光信号到达缺陷介质柱7的缺陷位置后，TE光信号将全部通过，最后TE光信号将在输出端口2位置输出；TE光信号在输出端口3和4位置几乎没有输出。同时，在波导中插入损失很小。此时端口2为导通状态，端口3和4处于关闭状态。当偏置磁场方向改变时，入射信号端口位于图1所示左方端口1的位置，该端口1处为TE光信号。光信号在以硅介质柱5的介质柱阵列形成的波导中传播，TE光信号到达缺陷介质柱7的缺陷位置后，TE光信号将全部通过，最后TE光信号将在输出端口4位置输出；TE光信号在输出端口2和3位置几乎没有输出。同时，在波导中插入损失很小。此时端口4为导通状态，端口2和3处于关闭状态。

对于晶格常数和工作波长的选取，可以采用以下方式确定。通过公式

$\mathrm{\λ}={\mathrm{\λ}}_{norm}a=\frac{a}{f_{norm}}---\left(7\right)$

其中以及本发明中正方晶格硅结构的的归一化禁带频率范围

f_norm＝0.3150～0.4548(8)

计算出相应的禁带波长范围为：

λ＝2.1987a～3.1746a(9)

由此可见在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，可以通过改变晶格常数a的值得到与其等比例的满足波长范围的λ值。工作波长可以在不考虑色散或色散可忽略的情况下通过介质柱间晶格常数来调节。

如图4所示，通过控制电压，得到光功率输出波形，其中0～t₁时段磁场为-H，从端口2输出；t>t₁时段磁场为H，从端口4输出。开关上升时间Tr和下降时间Tf取决于磁场的变化速度。

光开关的参数：

(1)开关上升时间、下降时间(该结构的开关上升时间、下降时间决定于磁场的变化速度，这样可以获得快速开关过程，一般仅需1us的开关时间。)参照图4。

(2)开关对比度定义为：

对于端口2导通：10log(导通时端口2的输出功率/断开时端口2的输出功率)＝10log(P_开/P_关)

对于端口4导通：10log(导通时端口4的输出功率/断开时端口4的输出功率)＝10log(P_开/P_关)，参照图5(a)。

(3)隔离度定义为：

隔离度＝10log(输入功率/隔离端输出功率)＝10log(P_入/P_隔)，参照图5(b)。

通过图5(a)可知，在归一化光波频率ωa/2πc＝0.4121时，其开关对比度可达到48dB。

通过图5(b)可知，端口2、3隔离度分别可达到48dB，46dB，其性能相比其他光开关具有明显优势。

实施例1

本实施例中，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法，可以实现不同波长磁控二选一光路开关的功能。令参数a＝6.1772×10^-3[m]，d₂＝0.3a，d₃＝0.2817a，d₅＝1.2997a，μ＝9.6125，p＝0.7792，归一化光波频率ωa/2πc＝0.4121，其他参数不变，使其对应到20GHz的光波。参照图5(a)，通过仿真计算得到在禁带光波频率范围内的开关对比度；参照图5(b)，在禁带光波频率范围内的开关隔离度，该结构具有高对比度、高隔离度的磁控二选一光路开关，从而实现了光开关功能。

实施例2

本实施例中，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法，可以实现不同波长磁控二选一光路开关的功能。令参数a＝4.1181×10^-3[m]，d₂＝0.3a，d₃＝0.2817a，d₅＝1.2997a，μ＝9.6125，p＝0.7792，归一化光波频率ωa/2πc＝0.4121，其他参数不变，使其对应到30GHz的光波。参照图6(a)，通过仿真计算得到在禁带光波频率范围内的开关对比度，参照图6(b)，在禁带光波频率范围内的开关隔离度。该结构具有高对比度、高隔离度的磁控二选一光路开关，从而实现了光开关功能。

实施例3

本实施例中，在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，通过等比例改变晶格常数的方法，可以实现不同波长磁控二选一光路开关的功能。令参数a＝3.0886×10^-3[m]，d₂＝0.3a，d₃＝0.2817a，d₅＝1.2997a，μ＝9.6125，p＝0.7792，归一化光波频率ωa/2πc＝0.4121，其他参数不变，使其对应到40GHz的光波。参照图7(a)，通过仿真计算得到在禁带频率范围内的开关对比度，参照图7(b)，在禁带频率范围内的开关隔离度，通过图7(a)、7(b)可知，在归一化光波频率ωa/2πc＝0.4121时，由有限元软件COMSOL进行计算，得到的光场模拟图，如图8所示。由此可知，TE光分别高效地传播至端口2和端口4。该结构具有高对比度、高隔度的磁控二选一光路开关，从而实现了光开关功能。

以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

Claims (10)

1.一种基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于，包括一个具有TE禁带的光子晶体十字波导；所述光路开关还包括一个输入端(1)、三个输出端(2、3、4)、背景硅介质柱(5)、等腰直角三角形缺陷介质柱(6)和缺陷介质柱(7)，所述光路开关还包括一个提供偏置磁场的电磁铁(8)；所述光子晶体十字波导的左端为输入端(1)，所述输出端(2、3、4)、分别位于光子晶体十字波导的下端、右端、上端；所述缺陷介质柱(7)位于十字波导中心交叉处；所述4个等腰直角三角形缺陷介质柱(6)分别位于十字波导交叉的四个拐角处；所述光子晶体波导由端口(1)输入TE光，输出信号从端口(2)或端口(4)输出，即输入端1选择性地与端口2或端口4连接。

2.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述光路开关进一步包括导线(9)、极性可控电流源(10)和电子开关(11)；所述电磁铁(8)的一端与极性可控电流源(10)的一端相连接；所述电磁铁(8)的另一端通过导线(9)与极性可控电流源(10)的另一端相连接；所述极性可控电流源(10)与电子开关(11)相连接。

3.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述光子晶体为二维正方晶格光子晶体。

4.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述光子晶体由高折射率材料和低折射率材料组成；所述高折射率材料为硅或折射率大于2的介质；所述低折射率介质为空气或折射率小于1.4的介质。

5.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述十字波导为光子晶体中移除中间一横排和中间一竖排介质柱后的结构。

6.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述十字波导交叉拐角处的背景介质柱(5)删除一个角以形成等腰直角三角形缺陷介质柱，该等腰直角三角形缺陷介质柱(6)为三角柱型。

7.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述背景硅介质柱(5)的形状为正方形。

8.按照权利要7所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述正方形硅介质柱以介质柱轴线z轴方向逆时针旋转41度。

9.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述缺陷介质柱(7)为铁氧体方柱，其形状为正方形，所述铁氧体方柱的磁导率为各向异性，且受偏置磁场的控制，偏置磁场方向沿着铁氧体方柱的轴线方向。

10.按照权利要求1所述的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，其特征在于：所述端口(4)为调制输出端。