CN106405972B - 一种磁控可调频远红外光开关及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁控可调频远红外光开关，所述光开关包括依次设置的铁酸镁基特异材料和介质基底。所述铁酸镁基特异材料由铁酸镁薄膜1与氧化铝薄膜2在x轴方向交替重叠构成一维周期性层状结构。所述铁酸镁薄膜1与氧化铝薄膜2在x轴方向的厚度均小于选定的用以入射所述光开关的电磁波的波长的1/20。所述铁酸镁薄膜1与氧化铝薄膜2在y轴和z轴方向的长度均大于所述波长的10倍。由此可以得到铁酸镁基特异材料。本发明提供的结构可以在外磁场调控下，控制铁酸镁薄膜的磁化率，实现铁酸镁基特异材料从普通非磁性介质到磁性双曲介质的转变，从而控制入射TE偏振波的透射率，实现光开关。

Description

一种磁控可调频远红外光开关及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种磁控可调频远红外光开关，尤其是涉及一种可以实现由磁场强度调节工作频率的远红外光开关。
背景技术
光子技术擅长信息传输，并具有宽带、大容量和并行处理等优点，因此现在信息的传输等技术领域已被光子技术占领，例如光纤通信及光纤传感器。在光纤通信领域要实现光路转换，必须的元器件是光开关。现有的实现光开关的方法有多种，如传统机械光开关、微机械光开关、热光开关和声光开关等，因其各自的特点在不同场合得到广泛应用。其中机械光开关一般通过机械方式改变光路，因而具有与波长及偏振无关的特点，是近几年应用最为广泛的一种光开关，但它存在开关时间长，体积偏大以及重复性差等缺点。而微机械开关则是通过在硅晶片上刻出微小的镜片，通过静电力或电磁力来改变光的传播方向，它继承了传统机械光开关的优点，但这类光开关对加工技术要求比较高。因此，发展一种制作简单、体积可控以及频率可调的光开关，是近年来的一个研究方向。
此外采用特异材料来设计光开关是近年来的一个研究热点。特异材料(Metamaterial)，是一种人工制作的亚波长元器件构成的微结构，可以在特定的频率范围实现所需的等效介电常数和等效磁导率的分布。因此特异材料在光子技术中有极大的应用价值。其中双曲特异材料是一种具有各向异性等效介电常数或等效磁导率的材料，电磁波在双曲特异材料中的传播特性和普通介质非常不同，可以应用在光调控上面。现有的双曲特异材料多是介电常数为各向异性，双曲性质只对TM偏振光有效。要实现双曲性质对TE偏振光有效，需要设计磁导率各向异性的双曲特异材料，表示为其中μxx＞0，μyy＝μzz＜0。此外，现有的制作双曲特异材料的方式多是通过改变亚波长元器件的占空比或元器件的材料属性来控制双曲色散频率，不易通过外部调控。因此，设计可以外部调控双曲性质的磁性双曲特异材料，来调控TE偏振光的传输性质，已成为本领域的一个技术课题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种随外界磁场变化可以实现双曲色散频率移动的远红外可调光开关。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种磁控可调频远红外光开关，其特征在于，该光开关包括依次设置铁酸镁基特异材料和介质基底。
所述的铁酸镁基特异材料，由铁酸镁薄层和氧化铝薄层在x轴方向交替重叠构成一维周期性层状结构。
所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在x轴方向的厚度均小于选定的用以入射所述光开关的电磁波的波长的1/20；所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在y轴和z轴方向的长度均大于所述波长的10倍。
所述的结构置于外磁场中，其磁导率由外加磁场电压来控制。
根据等效介质理论，特异材料的磁导率可以表示为其中μyy＝μzz＝f1μ1+f2μ2，μxx＝(f1/μ1+f2/μ2)-1；μ1为铁酸镁的磁导率；μ2＝1为氧化铝的磁导率；f1＝d1/(d1+d2)，f2＝d2/(d1+d2)分别为双曲材料中铁酸镁和氧化铝的占空比；d1和d2分别为所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在x轴方向的厚度；通过控制外加磁场强度，控制铁酸镁薄层的磁导率，从而改变双曲材料的双曲色散频率，进而改变入射TE偏振光的透射率，实现外磁场调频的光开关。
如上所述，本发明所述的一种磁控可调频远红外光开关，具有以下有益效果：
本发明提供的结构，可以在外磁场调控下，实现从普通透明介质到双曲特异材料的转变，从而改变入射TE偏振光的透射率，达到控制光的开关目的；同时双曲色散区间受外磁场强度的调控，可以实现磁场调频开关。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a和图2b为改变外磁场大小时，双曲特异材料的色散特性示意图；
图3a和图3b为本发明结构中的电场分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种磁控可调频远红外光开关，该光开关包括依次设置铁酸镁基特异材料和介质基底。其中所述的铁酸镁基特异材料，由铁酸镁薄层和氧化铝薄层在x轴方向交替重叠构成一维周期性层状结构。所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在x轴方向的厚度分别为d1和d2，均小于选定的用以入射所述光开关的电磁波的波长的1/20；所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在y轴和z轴方向的长度均大于所述波长的10倍。
根据等效介质理论，特异材料的磁导率可以表示为其中μyy＝μzz＝f1μ1+f2μ2，μxx＝(f1/μ1+f2/μ2)-1；f1＝d1/(d1+d2)＝0.5，f2＝d2/(d1+d2)＝0.5分别为双曲材料中铁酸镁和氧化铝的占空比；μ1为铁酸镁的磁导率；μ2＝1为氧化铝的磁导率；特异材料的介电常数表示为ε＝f1ε1+f2ε2，ε1＝12.2为铁酸镁的磁导率；ε2＝2.37为氧化铝的磁导率。
当外磁场强度为0时，铁酸镁的磁导率为μ1＝1，此时特异材料的磁导率为1，是透明介质。
当外磁场强度不为0时，铁酸镁的磁导率为其中ω＝2πc/λ为工作频率，c为真空中的光速，π为圆周率；ωex＝4πγH0为共振频率，γ为旋磁常数，H0为外磁场强度；ωm＝4πγMs为特征频率，其取值为3.15×1010(rad/s)。
采用0.9T的磁场强度，得到铁酸镁基特异材料的磁导率色散关系如图2a所示，可以看到磁导率在987微米附近呈现双曲色散特性；采用1.2T的磁场强度，得到铁酸镁基特异材料的磁导率色散关系如图2b所示，可以看到磁导率在689.5微米附近呈现双曲色散特性；磁场强度可以改变双曲色散的频率区间。
进一步采用689.5微米的TE偏振光正入射所述光开关，用COMSOL全波仿真软件计算结构中的电场强度分布；外磁场强度为0时，所述结构中的电场强度分布如图3a所示，TE偏振光透过铁酸镁基特异材料进入介质基底，这为光开关的“开”状态；施加1.2T外磁场强度时，所述结构中的电场强度分布如图3b所示，TE偏振光完全被铁酸镁基特异材料反射，介质基底中没有光场分布，这为光开关的“关”状态。此外，当入射TE偏振光的波长发生变化时，可以将外磁场的强度调至相应的数值，从而实现开关的目的。

Claims (5)

1.一种磁控可调频远红外光开关，其特征在于，该光开关包括依次设置的铁酸镁基特异材料和介质基底；
所述的铁酸镁基特异材料，由铁酸镁薄层和氧化铝薄层在x轴方向交替重叠构成一维周期性层状结构；
所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在x轴方向的厚度均小于选定的用以入射所述光开关的电磁波的波长的1/20；所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在y轴和z轴方向的长度均大于所述波长的10倍。
2.根据权利要求1所述的一种磁控可调频远红外光开关，其特征在于，所述的介质基底材料包括玻璃、透明塑料或透明树脂。
3.一种磁控可调频远红外光开关实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将铁酸镁薄层和氧化铝薄层在介质基底上沿x方向交替重叠，制成一维周期性层状结构的铁酸镁基特异材料；所述铁酸镁薄膜和氧化铝薄膜在x轴方向的厚度小于入射电磁波波束的波长的1/20；所述铁酸镁薄膜与氧化铝薄膜在y轴和z轴方向的长度均大于所述波长的10倍；
步骤二，施加外磁场作用于所述铁酸镁基特异材料，获得所述特异材料在不同外磁场作用下的磁导率色散关系；
步骤三，入射电磁波波束，调节外磁场的强度，透射电磁场消失，实现光开关。
4.根据权利要求3所述的一种磁控可调频远红外光开关实现方法，其特征在于，所述外磁场的方向平行于所述z轴方向；所述外磁场的强度为0或大于0。
5.根据权利要求3所述的一种磁控可调频远红外光开关实现方法，其特征在于，所述入射电磁波为TE极化的远红外光。
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