CN107908021A - 基于光子晶体波导的t字型光子晶体环行器 - Google Patents

基于光子晶体波导的t字型光子晶体环行器 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器。该环行器包括一个T字型光子晶体波导，所述T字型光子晶体波导中心设置有一个第一磁光介质柱，所述T字型光子晶体波导的两个拐角处分别设置有第二磁光介质柱，所述第一磁光介质柱的形状和所述第二磁光介质柱的形状相同，以及所述第一磁光介质柱的横截面积大于所述第二磁光介质圆柱的横截面积。本发明实施例通过在T字型光子晶体波导中心及两个拐角处分别设置第一磁光介质柱和第二磁光介质柱，利用磁光介质柱的法拉第旋转效应，得到一种隔离度更高、插入损耗更小的便于集成的T字型光子晶体环行器。

Description

基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器
技术领域
本发明实施例涉及环行器技术，尤其涉及一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器。
背景技术
环行器是一种实现电磁波信号单向环行的三端口、四端口或多端口微波铁氧体器件，利用环行器可实现微波网络的双工、去耦、保护和匹配等功能。在雷达天馈系统中典型的应用是在发射——天线——接收系统中起匹配、环行、双工的作用。
光子晶体是一种介电常数在空间周期排列的新型材料，能够实现对光的控制与操作。光子晶体环行器便于小型化和集成化，可适应未来太赫兹或全光集成通信系统的发展需求。
现有技术中，光子晶体环行器主要有空气孔阵列和介质柱阵列两种设计方向。现有基于空气孔阵列方案的光子晶体环行器的隔离度和插入损耗等性能参数较差，有待提高。现有的介质柱阵列方案的光子晶体环行器相比于空气孔阵列方案，仅能单一改善其隔离度或插入损耗。
发明内容
本发明实施例提供一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，以实现环行器的高隔离度和低插入损耗。
本发明实施例提供了一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，包括：
一个T字型光子晶体波导，所述T字型光子晶体波导中心设置有一个第一磁光介质柱，所述T字型光子晶体波导的两个拐角处分别设置有第二磁光介质柱，所述第一磁光介质柱的形状和所述第二磁光介质柱的形状相同，以及所述第一磁光介质柱的横截面积大于所述第二磁光介质柱的横截面积。
可选的，采用正方晶格介质柱阵列周期性排列于空气中以构成光子晶体。
可选的，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱的组成材料为氧化铝陶瓷。
可选的，所述第一磁光介质柱、所述第二磁光介质柱、以及所述正方晶格介质柱的形状均为圆柱。
可选的，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱的半径为r0，所述第一磁光介质柱的半径为1.1r0～2.5r0，所述第二磁光介质柱的半径为1r0～1.1r0。
可选的，所述第一磁光介质柱的半径为2.35r0，所述第二磁光介质柱的半径为r0。
可选的，所述第一磁光介质柱与所述第二磁光介质柱的组成材料均为镍-锌铁氧体。
可选的，所述镍-锌铁氧体的介电常数为12.9。
可选的，所述T字型光子晶体波导具有三个端口，以及所述T字型光子晶体波导的任意一个端口输入的电磁波正向顺序导通并通过下一个端口输出。
可选的，所述T字型光子晶体环行器工作在3cm波长的X波段。
可选的，所述环行器的任意两个端口在中心频率处的隔离度小于或等于-20dB，所述环行器在中心频率处的插入损耗大于或等于-0.081dB。
本发明实施例通过在T字型光子晶体波导中心及两个拐角处分别设置第一磁光介质柱和第二磁光介质柱，且第一磁光介质柱的形状和第二磁光介质柱的形状相同，第一磁光介质柱的横截面积大于第二磁光介质柱的横截面积，第一磁光介质柱与第二磁光介质柱都为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在T字型光子晶体波导传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中第一磁光介质柱既作谐振腔，又提供法拉第旋转，第二磁光介质柱未设置在波导中，既用来增强法拉第旋转效应，又能减少波导中的磁光介质以降低插入损耗，形成一种隔离度更高、插入损耗更小的便于集成的T字型光子晶体环行器。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器结构示意图；
图2是本发明实施例二提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器结构示意图及采用的坐标系；
图3是本发明实施例二提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器功能模拟示意图；
图4是本发明实施例二提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器功能模拟外部特性示意图；
图5是本发明实施例二提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器结构示意图；
图6是本发明实施例二提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器外部特性测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
本发明实施例提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器包括一个T字型光子晶体波导，在T字型光子晶体波导中心设置有一个第一磁光介质柱，T字型光子晶体波导两个拐角处分别设置有第二磁光介质柱，且第一磁光介质柱的形状和第二磁光介质柱的形状相同，以及第一磁光介质柱的横截面积大于第二磁光介质柱的横截面积。
光子晶体是由不同介电常数的介质周期性排列形成的结构，例如将相同的介质柱周期性排列在空气中，就可以构成一种光子晶体。将光子晶体中去掉一行介质柱，即得到光子晶体波导。可以理解的是，形成光子晶体的介质柱的横截面可以为矩形、圆形、椭圆形、环形、五边形、任意多边形、任意闭合曲线等形状。本实施例中可选形成光子晶体的介质柱的横截面为圆形。
图1为本发明实施例提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器结构示意图，本实施例中，光子晶体波导为T字型，该T字型光子晶体波导具有三个端口。相比于传统的Y字型光子晶体环行器，T字型光子晶体环行器体积小，在便于集成上更有优势。
本发明实施例提供的T字型光子晶体环行器中的磁光介质柱为旋磁材料，这类旋磁材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下具有旋磁特性，正是这种旋磁特性，使在光子晶体波导中传播的电磁波发生极化的旋转(法拉第效应)，以及电磁波能量强烈吸收(铁磁共振)，利用这个旋磁现象，能够制作出正方向导通、反方向截止的环行器，提高了环行器的隔离度。
在图1所示的T字型光子晶体波导中心位置分别设置有第一磁光介质柱和第二磁光介质柱，其中第一磁光介质柱和第二磁光介质柱的形状相同，且第一磁光介质柱的横截面积大于第二磁光介质柱的横截面积，由此可形成本发明实施例提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器。可选形成磁光介质柱的横截面可以为矩形、圆形、椭圆形、环形、五边形、任意多边形、任意闭合曲线等形状，本实施例中可选形成磁光介质柱的横截面为圆形。在其他实施例中还可选介质柱的横截面为其他形状，在此不再具体图示和说明。
本发明实施例通过在T字型光子晶体波导中心及两个拐角处分别设置第一磁光介质柱和第二磁光介质柱，且第一磁光介质柱的形状和第二磁光介质柱的形状相同，第一磁光介质柱的横截面积大于第二磁光介质柱的横截面积，第一磁光介质柱与第二磁光介质柱都为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在T字型光子晶体波导的传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中第一磁光介质柱既作谐振腔，又提供法拉第旋转，第二磁光介质柱未设置在波导中，既用来增强法拉第旋转效应，又能减少波导中的磁光介质降低插入损耗，由此可形成一种隔离度更高、插入损耗更小的便于集成的T字型光子晶体环行器。
在上述技术方案的基础上，可以采用正方晶格介质柱阵列周期性排列于空气中以构成光子晶体。空气为最简单常用的低介电常数物质，正方晶格结构简单，便于分析。本领域技术人员可以理解，在其他实施例中，还可选光子晶体为正方晶格结构之外的其他适用于T字型光子晶体环行器的晶格结构，在本发明中不进行具体限定。
可选的，正方晶格介质柱阵列的介质柱的组成材料可以选用氧化铝陶瓷，使用氧化铝陶瓷的好处在于氧化铝陶瓷具有损耗极低的电磁特性，能形成低损耗、宽光子禁带的光子晶体波导。
可选的，第一磁光介质柱、第二磁光介质柱、以及正方晶格介质柱的形状均可以为圆柱。采用圆柱的好处在于容易加工，且圆形边界条件较为简单，现有电磁场理论更容易分析电磁波在圆介质柱传播情况。
可选的，正方晶格介质柱阵列的介质柱的半径为r0，第一磁光介质柱的半径可以为1.1r0～2.5r0，第二磁光介质柱的半径可以为1r0～1.1r0。
举例来说，如果正方晶格介质柱阵列的介质柱的半径为1mm，则第一磁光介质柱的半径可以为1.1～2.5mm，第二磁光介质柱的半径可以为1～1.1mm。
对于不同的介质柱半径及晶格常数，可以形成不同带隙的光子晶体波导，而对于不同磁光介质柱半径，可以形成特定波长范围的谐振腔，通过有限元分析法计算波导中场的分布，本领域技术人员可以设计出不同的T字型光子晶体环行器。
可选的，第一磁光介质柱的半径可以为2.35r0，第二磁光介质柱的横截面半径可以为r0。
本发明实施例提供一种正方晶格介质柱阵列的介质柱半径为2mm，第一磁光介质柱半径为4.7mm，在中心频率为10.03GHz处隔离度高达-45.8dB的T字型光子晶体环行器。
可选的，第一磁光介质柱与第二磁光介质柱的组成材料均可以为镍-锌铁氧体。镍-锌铁氧体圆柱的介电常数为12.9。
镍-锌铁氧体是一种具有尖晶石结构的高频软磁铁氧体材料，具有良好的旋磁特性，能够提高隔离度。
可选的，T字型光子晶体波导具有三个端口，以及T字型光子晶体波导的任意一个端口输入的电磁波正向顺序导通并通过下一个端口输出。
举例来说，参考图1，从A端口入射的电磁波，在外加方向垂直波导平面向外的恒定磁场的条件下，中心第一磁光介质柱被饱和磁化，并使电磁波的传播方向发生旋转，然后可以几乎无损耗地环行到B端口输出；从B端口入射的电磁波，可以几乎无损耗地环行到C端口输出；从C端口入射的电磁波，可以几乎无损耗地环行到A端口输出，从而实现环行器的功能。
本发明实施例通过在T字型光子晶体波导中心及两个拐角处分别设置第一磁光介质柱和第二磁光介质柱，且第一磁光介质柱的形状和第二磁光介质柱的形状相同，第一磁光介质柱的横截面积大于第二磁光介质柱的横截面积，第一磁光介质柱与第二磁光介质柱都为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在T字型光子晶体波导传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中第一磁光介质柱既作谐振腔，又提供法拉第旋转，第二磁光介质柱未设置在波导中，既用来增强法拉第旋转效应，又能减少波导中的磁光介质降低插入损耗，形成一种隔离度更高、插入损耗更小的便于集成的T字型光子晶体环行器。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器结构示意图及采用的坐标系，本实施例以上述实施例为基础，提供了一种优选实例。
本实施例提供的T字型光子晶体环行器包括一个由横截面半径为r0的氧化铝陶瓷圆柱10形成的正方晶格阵列T字型光子晶体波导，波导中心有一个横截面半径为2.35r0的镍-锌铁氧体圆柱20，波导的两个拐角处分别有两个横截面半径为r0的镍-锌铁氧体圆柱30。
其中，铁氧体柱20和铁氧体柱30为相同的镍-锌铁氧体材料，其介电常数均为12.9。铁氧体圆柱20的作用是在外加直流磁场的作用下，既作谐振微腔，又提供拉法第旋转。铁氧体圆柱30的作用是增强法拉第旋转效应，提高环行器的性能。起辅助作用的铁氧体圆柱30嵌在阵列结构中，并未放置在线缺陷光波导内，因此整个波导内只有一个铁氧体柱20。这种安排不仅结构简单，工艺上易于实现，且能减少波导内多个柱体带来的插入损耗。
本实施例提供的T字型光子晶体环行器工作在3cm波长的X波段。其中，X波段电磁波频率范围为8～12GHz，波长范围为3.75～2.5cm。
在外加恒定磁场(强度为H0＝3.2×105A/m)，方向垂直波导平面向外时，铁氧体柱20将被饱和磁化，并使波的传播方向发生旋转。采用有限元方法在中心频率0.4132处，模拟环行器中Ez的传播情况，结果如图3所示。数值结果表明，环行器正向顺序导通，如图3(a)所示，当电磁波从A端口入射，在波导中稳定传输，在铁氧体柱20和铁氧体柱30的共同作用下发生90°偏转，从B端口流出，而C端口被隔离，以此类推，如图3(b)和图3(c)所示。图3(d)、图3(e)、图3(f)分别为三种传输途径下横电(TE)波的振幅在三维坐标系下的描述，从图3(d)、图3(e)、图3(f)中可以看到第三种传输路径环行器的传输隔离性能要好于前面两种。
上述提到的中心频率是指归一化频率，其计算方法为：
其中a为光子晶体的晶格常数，λ为电磁波波长。
当电磁波从三个端口(A、B、C)其中一个输入时，收集另外两个端口的能量。比较输出与输入端口之间的能量变化，并计算插入损耗和隔离度等参数，如图4中图4(a)、图4(b)、图4(c)分别对应图3(a)、图3(b)、图3(c)情况下T字型光子晶体环行器的隔离度和插入损耗。在中心频率0.4132处，图3(a)和图3(b)两种不同的传输路径下隔离度均达到最高值分别为-24.36dB和-25.17dB，插入损耗最低分别为-0.081dB和-0.075dB。偏离中心频率时，隔离度不断减小、插入损耗不断增大，环行器性能逐渐变差。
可以理解的是，环行器参数中，隔离度表示环行器隔离端与输入端功率的比值，插入损耗表示环行器输出端与输入端功率的比值。举例来说，当A端口为输入端，B端口为输出端，则C端口为隔离端，理想的环行器C端口输出功率为零，B端口输出功率等于A端口输入功率，但实际器件无法达到，A端口作为输入时C端口输出功率与A端口输入功率比即为隔离度，B端口输出功率与A端口输入功率比即为插入损耗，采用对数表示时，由于隔离度和插入损耗数值表现为负值，因此隔离度数值越小，插入损耗数值越大，表示环行器性能越好。
在图3(c)所示的第三种传输路径(Port C to A)下，环行器外部特性最佳，如图4(c)所示，此时，隔离度达到-25.92dB，且得到插入损耗为-0.064dB。
由图4可知，本实施例提供的任意两个端口在中心频率附近的隔离度都小于或等于-20dB，在中心频率处的插入损耗大于或等于-0.081dB。
为了验证本发明实施例提供的T字型光子晶体环行器的优越性，在工作频率约10GHz处进行实验验证。
图5为本发明实施例提供的T字型光子晶体环行器结构示意图。为保证实验可行性，发明实施例提供的T字型光子晶体环行器详细结构参数如下：氧化铝陶瓷圆柱10截面半径r0为2mm，晶格常数a为12mm，镍-锌铁氧体柱20截面半径为4.7mm，镍-锌铁氧体柱30截面半径为2mm。如图6所示为本发明实施例提供的T字型光子晶体环行器以C端口作为输入端时隔离度和插入损耗测量结果，由图6可知，在中心频率10.03GHz处，隔离度高达-45.8dB，插入损耗约为-1.88dB。现有环行器的产品，隔离度一般要求小于-20dB，插入损耗大于-1dB。本发明实施例提供的T字型光子晶体环行器在9.88～10.13GHz频率范围内隔离度参数均小于-20dB，具有优越的隔离度参数；若考虑到测试设备中的电缆以及连接器带来的损耗(共约-1dB)，实际环行器的插入损耗只有-0.88dB，是很好的损耗参数。
本发明实施例提供一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，该环行器包括一个由氧化铝陶瓷圆柱周期性排列于空气中形成的正方晶格T字型光子晶体波导，在波导中有一个半径较大和两个半径较小的镍-锌铁氧体圆柱，通过以上结构设计，得到一种隔离度更高、插入损耗更小的便于集成的T字型光子晶体环行器。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (11)

1.一种基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，包括：
一个T字型光子晶体波导，所述T字型光子晶体波导中心设置有一个第一磁光介质柱，所述T字型光子晶体波导的两个拐角处分别设置有第二磁光介质柱，所述第一磁光介质柱的形状和所述第二磁光介质柱的形状相同，以及所述第一磁光介质柱的横截面积大于所述第二磁光介质柱的横截面积。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，采用正方晶格介质柱阵列周期性排列于空气中以构成光子晶体。
3.根据权利要求2所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱的组成材料为氧化铝陶瓷。
4.根据权利要求2所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述第一磁光介质柱、所述第二磁光介质柱、以及所述正方晶格介质柱的形状均为圆柱。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述正方晶格介质柱阵列的介质柱的半径为r0，所述第一磁光介质柱的半径为1.1r0～2.5r0，所述第二磁光介质柱的半径为1r0～1.1r0。
6.根据权利要求5所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述第一磁光介质柱的半径为2.35r0，所述第二磁光介质柱的半径为r0。
7.根据权利要求1所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述第一磁光介质柱与所述第二磁光介质柱的组成材料均为镍-锌铁氧体。
8.根据权利要求7所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述镍-锌铁氧体的介电常数为12.9。
9.根据权利要求1～8任一所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述T字型光子晶体波导具有三个端口，以及所述T字型光子晶体波导的任意一个端口输入的电磁波正向顺序导通并通过下一个端口输出。
10.根据权利要求1所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述T字型光子晶体环行器工作在3cm波长的X波段。
11.根据权利要求1所述的基于光子晶体波导的T字型光子晶体环行器，其特征在于，所述环行器的任意两个端口在中心频率处的隔离度小于或等于-20dB，所述环行器在中心频率处的插入损耗大于或等于-0.081dB。
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