CN106291812A - 低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其包括一个光输入端口(1)、一个光输出端口(2)、一个磁光薄膜(3)、背景介质(4)和一个方向可控的偏置磁场；所述单向拐弯波导的端口(1)为光输入端、其端口(2)为光输出端；所述磁光薄膜(3)设置于背景介质(4)中；所述磁光薄膜(3)采用磁光材料；所述磁光薄膜(3)和背景介质(4)为任意角度弯曲形；所述磁光薄膜(3)处设置有偏置磁场；所述磁光薄膜(3)弯曲部分为圆环形状；所述磁光材料与所述背景介质(4)的表面处为磁表面快波。本发明结构简单，体积小，便于集成，低损耗，传输效率高，适合于大规模光路集成，被广泛应用到各种光波导的设计中。

Description

低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导

技术领域

本发明涉及一种磁光材料、磁表面波、单向传输和拐弯波导，更具体地说，本发明涉及一种低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导。

背景技术

拐弯波导是一种作为变换光路用的光器件，其在光波导器件中占据重要的地位。由于光波导中光束传播方向的改变、光束传输轴位移和降低器件体积的需要，光波导中的弯曲是必需的。波导弯曲会引起波导材料在光的传输方向上光学特性分布的变化，使得拐弯波导具备较高的损耗。拐弯波导领域已有广泛的研究，其中弧形转向型拐弯波导是目前此方面研究的主要内容。但即使是这种类型的波导，其所存在的弯曲损耗和过渡损耗仍然严重制约了传输效率。此外结构缺陷等也会给波导带来其他方面的损耗。

光二极管和隔离器是一种只允许光往一个方向传播的光学器件，应用于阻止不必要的光反馈。传统的光二极管和隔离器的主元件是法拉第旋光器，应用了法拉第效应(磁光效应)作为其工作原理。传统的法拉第隔离器由起偏器、法拉第旋光器和检偏器组成，这种器件结构复杂，通常被应用在自由空间的光系统中。对于集成光路，光纤或波导等集成光器件都是非偏振维持系统，会导致偏振角的损耗，因而不适用法拉第隔离器。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种结构简单有效，低损耗，光传输效率高，体积小，便于集成的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现。

本发明低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导包括一个光输入端口1、一个光输出端口2、一个磁光薄膜3、背景介质)和一个偏置磁场；所述单向拐弯波导的端口1为光输入端、其端口2为光输出端；所述磁光薄膜3设置于背景介质4中；所述磁光薄膜3采用磁光材料；所述磁光薄膜3和背景介质4为任意角度弯曲形；所述磁光薄膜3处设置有方向可控的偏置磁场；所述磁光薄膜3弯曲部分为圆环形状；所述磁光材料与所述背景介质4的表面处为磁表面快波。

所述磁光材料与所述背景介质4的分界面构成光波导。

所述磁光薄膜3和所述背景介质4通过任意角度弯曲形与光输入端和光输出端连接。

所述磁光薄膜3和背景介质4结构波导为平直波导。

所述磁光材料为磁光玻璃或者各种稀土元素掺杂的石榴石和稀土-过渡金属合金薄膜等材料。

所述背景介质4为普通介质材料或者空气。

所述任意角度弯曲形为30度拐弯形状、45度拐弯形状、60度拐弯形状、90度拐弯形状、120度拐弯形状、135度拐弯形状、150度拐弯形状或180度拐弯形状。

所述所述偏置磁场由电流方向可控的电磁铁或能旋转的永久磁铁产生。

所述方向可控拐弯波导单向拐弯波导由磁光材料薄膜波导构成。

所述单向拐弯波导的工作模式为TE模式。

本发明适合应用于大规模光路集成，具有广泛的应用前景。它与现有技术相比，具有如下积极效果。

1.结构简单，便于实现。

2.体积小，便于集成。

3.磁表面波具备对结构缺陷的免疫特性，具有超低损耗、超高传输效率，被广泛应用到各种光波导的设计中。

附图说明

图1为低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导的结构图。

图中：光输入端1光输出端2磁光薄膜3背景介质4偏置磁场⊙H₀(外)磁光薄膜厚度w圆环的内圆弧半径r圆环的外圆弧半径r+w

图2为低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导单向导通的第一种工作原理图。

图3为低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导单向导通的第二种工作原理图。

图4为低损磁光薄膜单向拐弯波导的正反向传输效率随光波频率变化的第一种实施例曲线图。

图5为低损磁光薄膜单向拐弯波导的正反向传输效率随光波频率变化的第二种实施例曲线图。

图6为低损磁光薄膜单向拐弯波导的正反向传输效率随光波频率变化的第三种实施例曲线图。

图7为低损磁光薄膜单向拐弯波导的正反向传输效率随光波频率变化的第三种实施例曲线图。

具体实施方式

如图1所示，本发明低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导包括一个光输入端1、一个光输出端2、一个磁光薄膜3、背景介质4和一个方向可控的偏置磁场H₀，单向拐弯波导的工作模式为TE模式，单向拐弯波导由磁光材料薄膜波导构成，单向拐弯波导端口1为光输入端、其端口2为光输出端；磁光薄膜3与背景介质4交界面为光能量主要集中的区域，磁光薄膜3设置于背景介质4中，磁光薄膜3采用磁光材料，即磁光材料薄膜；磁光材料为磁光玻璃或者各种稀土元素掺杂的石榴石和稀土-过渡金属合金薄膜等材料；磁光薄膜3弯曲部分为圆环形状，圆环的内圆弧半径为r，其外圆弧半径则为r+w。弯曲部分的长短取决于拐弯角度。磁光材料薄膜3和背景介质4为任意角度弯曲形，任意角度弯曲的形状为圆弧形(弧形转向型拐弯波导)，拐弯角度可以为0度至180度之间的任意角，单向拐弯波导的弯曲角度也可以采用0度至180度之间的角度；本发明可以采用任意拐弯角度为10度、50度和170度，也可以采用波导拐弯角度包括：30度、45度、60度、90度、120度、135度、150度和180度。其中图1(a)单向拐弯角度为30度、图1(b)单向拐弯角度为45度、图1(c)单向拐弯角度为60度、图1(d)、(i)单向拐弯角度为90度、图1(e)单向拐弯角度为120度、图1(f)单向拐弯角度为135度、图1(g)单向拐弯角度为150度、图1(h)单向拐弯角度为180度。

例如，当拐弯角度为45°时，为八分之一个圆环；当拐弯角度为90°时，为四分之一个圆环；当拐弯角度为180°时，为半个圆环等等，以此类推。由于本发明器件结构满足对称守恒，也就是其对应的镜像结构也同样可以有效工作，因而图1(d)和(i)两者结构镜像对称，具备同样的工作特性。磁光材料与背景介质的表面处为磁表面快波，磁光材料薄膜和背景介质结构为平直波导结构；磁光材料与背景介质4的分界面构成光波导，光波导单向传输光信号，用作光二极管或隔离器；磁光材料薄膜3和背景介质4通过任意角度弯曲形与光输入端口1和光输出端口2连接；背景介质4采用普通介质材料或者空气，磁光材料薄膜3处设置有方向可控的偏置磁场⊙H₀(外)，偏置磁场由电磁铁产生或由能旋转的永久磁铁提供，电磁铁的电流为方向可控电流，永久磁铁能旋转。单向拐弯波导的端口1为输入端，其端口2为光输出端，即从端口1到端口2方向导通。

磁光材料-介质界面所产生的磁表面波是一种类似于金属表面等离子激元(SPP)的现象。磁光材料在偏置静磁场的作用下，磁导率为张量形式，同时，在一定的光波段范围内，其有效折射率为负值。因而，磁光材料的表面能够产生一种导波，且具有单向传播的性能，称为磁表面波(表面磁极化子波，SMP)。

本发明低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，将磁光材料薄膜置于背景介质(空气)中构成，利用磁光材料-介质界面产生的磁表面快波来进行光的单向弯曲传输，利用电流方向可控的电磁铁来控制波导的导通方向，拐弯角度能做到任意值。

本发明技术方案是基于磁光材料所具有的光非互易性和磁光材料-介质界面所具有独特的可传导表面波特性，实现方向可控拐弯波导的设计。该技术方案的基本原理如下：

磁光材料是一种具有磁各向异性的材料，由外加静磁场导致磁光材料内部的磁偶极子按同一方向排列，进而产生磁偶极矩。磁偶极矩将和光信号发生强烈的相互作用，进而产生光的非互易性传输。在方向为垂直纸面向外的偏置磁场H₀的作用下，磁光材料的磁导率张量为：

$\[{\mathrm{\μ}}_1\]=\left(\begin{array}{ccc}{\mathrm{\μ}}_r& {\mathrm{i\μ}}_{\mathrm{\κ}}& 0\\ -{\mathrm{i\μ}}_{\mathrm{\κ}}& {\mathrm{\μ}}_r& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\μ}}_0\end{array}\right),---\left(1\right)$

磁导率张量的矩阵元由以下方程组给出：

${\mathrm{\μ}}_r={\mathrm{\μ}}_0(1+\frac{{\mathrm{\ω}}_m({\mathrm{\ω}}_0-i\mathrm{\α}\mathrm{\ω})}{{({\mathrm{\ω}}_0-i\mathrm{\α}\mathrm{\ω})}^2-{\mathrm{\ω}}^2}),{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\κ}}={\mathrm{\μ}}_0\frac{{\mathrm{\ω}}_m\mathrm{\ω}}{{({\mathrm{\ω}}_0-i\mathrm{\α}\mathrm{\ω})}^2-{\mathrm{\ω}}^2},{\mathrm{\ω}}_0={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\γH}}_0,{\mathrm{\ω}}_m={\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\γM}}_s,---\left(2\right)$

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，ω为工作频率，α为损耗系数。若改变偏置磁场的方向为垂直纸面向里，则H₀和M_s将改变符号。

磁光材料-介质界面所产生的磁表面波则可以根据磁光材料的磁导率张量和麦克斯韦方程组求解得出。满足表面波(为TE波)在界面存在的电场和磁场应当有如下的形式：

$E_i=\left(\begin{array}{c}{e}_{xi}\\ 0\\ 0\end{array}\right)e^{i(k_{z}z+k_{yi}y-\mathrm{\ω}t)},H_i=\left(\begin{array}{c}0\\ h_{yi}\\ h_{zi}\end{array}\right)e^{i(k_{z}z+k_{yi}y-\mathrm{\ω}t)}---\left(3\right)$

其中i＝1代表磁光材料区域，i＝2代表介质区域。代入麦克斯韦方程组：

$\▿\×E_i=-j\frac{\∂E_{xi}}{\∂z}-k\frac{\∂E_{xi}}{\∂y}=-\frac{\∂B_i}{\∂t},\▿\×H_i=-\frac{\∂D_i}{\∂t},---\left(4\right)$

再根据本构关系式和边界条件，可得出关于磁表面波的波矢k_z的超越方程：

$\frac{{\mathrm{\μ}}_e}{{\mathrm{\μ}}_0}\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0-k_z^2}+\sqrt{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ}}_e{\mathrm{\ϵ}}_1-k_z^2}-\frac{{\mathrm{j\μ}}_k}{{\mathrm{\μ}}_r}{k}_z=0,---\left(5\right)$

其中，为磁光材料的有效磁导率。此超越方程可以由数值解法求解，最终得到k_z的值。也可从方程看出，由于方程包含μ_κk_z的项，所以，磁表面波具有非互易性(单向传播)。

可见，在磁光材料薄膜处加入偏置静磁场，并使用普通介质材料或空气作为背景材料，那么将构成有效的方向可控拐弯波导。并且由于磁表面波(SMP)的特性，拐弯波导在理论上由弯曲结构所产生的损耗非常低。如图2所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，背景介质4为空气(n₀＝1)，偏置磁场大小为900Oe，方向为垂直纸面向外，磁光薄膜3的厚度w＝25mm，圆环的内圆弧半径r＝30mm，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε₁，ε₂和磁导率[μ₁]，μ₂所决定，工作频率为f＝6GHz，YIG材料损耗系数α＝3×10^-4，拐弯角度为90°。当外加磁场方向垂直纸面向外时，光从端口1输入时，在磁光材料-介质界面产生单向正向传输的磁表面波，最后从端口2输出，即单向拐弯波导从端口1到端口2单向导通；当光从端口2输入时，由于磁表面波的非互易性导致光波不能够在器件里面反向传输，从而无法从端口1输出，光能量已全部在端口2处被阻挡。同时可以看到，光波能很好地被局限在磁光薄膜拐弯波导中，损耗值非常低。拐弯波导的导通方向由外加磁场的方向所决定，当改变磁光材料所加的磁场方向时，如图3所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，背景介质4为空气(n₀＝1)，偏置磁场大小为900Oe，偏置磁场方向为垂直纸面向里，磁光薄膜3的厚度w＝25mm，圆环的内圆弧半径r＝30mm，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε₁，ε₂和磁导率[μ₁]，μ₂所决定，工作频率为f＝6GHz，YIG材料损耗系数α＝3×10^-4，拐弯角度为90°。磁场方向垂直纸面向里，拐弯波导的导通方向是相反的。当光从端口2输入时，能够在器件内部产生磁表面波，继而从端口1输出，即单向拐弯波导从端口2到端口1单向导通；当光从端口1输入时，由于器件的非互易性导致其内部无法传播反向的光波，端口2没有任何光输出，光能量已全部在端口1处被阻挡。

本发明器件的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导采用磁光材料设置于普通介质材料中，其结构尺寸和参数，例如圆环的内圆弧半径r和磁光薄膜3的厚度w可灵活地根据工作波长和实际需求进行选择。改变尺寸对器件性能没有大的影响。下面结合附图给出四个实施例，在实施例中采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，偏置磁场由电流方向可控的电磁铁或能旋转的永久磁铁产生，大小为900Oe，方向将决定拐弯波导的导通方向，背景介质4为空气(n₀＝1)，磁光薄膜3的厚度w＝5mm，圆环的内圆弧半径r＝30mm，YIG材料损耗系数α＝3×10^-4，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε₁，ε₂和磁导率[μ₁]，μ₂所决定。

实施例1

参照图1(b)，方向可控拐弯波导由磁光薄膜波导构成，拐弯角度为45度。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料所加磁场方向垂直纸面向外，拐弯波导将从端口1到端口2导通；相反，控制磁场方向垂直纸面向里，拐弯波导将从端口2到端口1导通。此两种情况的正反向传输效率相同。参照图4，方向可控拐弯波导的工作频率范围是4.98GHz～7.40GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，方向可控拐弯波导最高达到正反向传输隔离度为20.8566dB，正向传输插入损耗为0.0644dB。

实施例2

参照图1(d)和(i)，方向可控拐弯波导由磁光薄膜波导构成，拐弯角度为90度。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料所加磁场方向垂直纸面向外，拐弯波导将从端口1到端口2导通；相反，控制磁场方向垂直纸面向里，拐弯波导将从端口2到端口1导通。此两种情况的正反向传输效率相同。参照图5，方向可控拐弯波导的工作频率范围是4.76GHz～7.40GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，方向可控拐弯波导最高达到正反向传输隔离度为21.4388dB，正向传输插入损耗为0.0174dB。

实施例3

参照图1(f)，方向可控拐弯波导由磁光薄膜波导构成，拐弯角度为135度。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料所加磁场方向垂直纸面向外，拐弯波导将从端口1到端口2导通；相反，控制磁场方向垂直纸面向里，拐弯波导将从端口2到端口1导通。两种情况的正反向传输效率相同。参照图6，方向可控拐弯波导的工作频率范围是4.90GHz～7.44GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，方向可控拐弯波导最高达到正反向传输隔离度为27.7728dB，正向传输插入损耗为0.0663dB。

实施例4

参照图1(h)，方向可控拐弯波导由磁光薄膜波导构成，拐弯角度为180度。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料所加磁场方向垂直纸面向外，拐弯波导将从端口1到端口2导通；相反，控制磁场方向垂直纸面向里，拐弯波导将从端口2到端口1导通。此两种情况的正反向传输效率相同。参照图7，方向可控拐弯波导的工作频率范围是4.94GHz～7.44GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，方向可控拐弯波导最高达到正反向传输隔离度为19.7184dB，正向传输插入损耗为0.0231dB。

由图4、图5、图6和图7不同拐弯角度的磁光薄膜磁表面快模单向拐弯波导的传输效率曲线图可以得到磁光薄膜拐弯波导所传输磁表面快波的光频率范围，即单向拐弯波导的工作频率范围。从结果可知，本发明低损磁光薄膜磁表面快波模任意方向可控单向拐弯波导是能够有效工作的。

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)

1.一种低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其包括一个光输入端口(1)、一个光输出端口(2)、一个磁光薄膜(3)、背景介质(4)和一个偏置磁场；所述单向拐弯波导的端口(1)为光输入端、其端口(2)为光输出端；所述磁光薄膜(3)设置于背景介质(4)中；所述磁光薄膜(3)采用磁光材料；所述磁光薄膜(3)和背景介质(4)为任意角度弯曲形；所述磁光薄膜(3)处设置有方向可控的偏置磁场；所述磁光薄膜(3)弯曲部分为圆环形状；所述磁光材料与所述背景介质(4)的表面处为磁表面快波。

2.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述磁光材料与所述背景介质(4)的分界面构成光波导。

3.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述磁光薄膜(3)和所述背景介质(4)通过任意角度弯曲形与光输入端和光输出端连接。

4.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述磁光薄膜(3)和背景介质(4)结构波导为平直波导。

5.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述磁光材料为磁光玻璃或者各种稀土元素掺杂的石榴石和稀土-过渡金属合金薄膜等材料。

6.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述背景介质(4)为普通介质材料或者空气。

7.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述任意角度弯曲形为30度拐弯形状、45度拐弯形状、60度拐弯形状、90度拐弯形状、120度拐弯形状、135度拐弯形状、150度拐弯形状或180度拐弯形状。

8.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于：所述偏置磁场由电流方向可控的电磁铁或能旋转的永久磁铁产生。

9.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述方向可控拐弯波导单向拐弯波导由磁光材料薄膜波导构成。

10.按照权利要求1所述的低损磁光薄膜磁表面快模任意方向可控单向拐弯波导，其特征在于，所述单向拐弯波导的工作模式为TE模式。