CN108646442A - 基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，在完整的具有TE模禁带的光子晶体中间横排移除部分介质柱形成输入波导，在光子晶体纵向上且在输入波导上下端对称地移除部分介质柱形成四路输出波导，四路输出波导与输入波导之间分别保留奇数个介质柱，保留的奇数个介质柱的中心介质柱替换为磁性点缺陷介质柱，磁性点缺陷介质柱与周边的介质柱形成磁性点缺陷微腔；输入波导输入太赫兹波，控制施加到选路开关的外加磁场大小，当某个磁性点缺陷微腔的共振频率与入射太赫兹波的频率相同时，入射波便可耦合到相应的输出波导中输出。本发明具有速度快、体积小、易于集成的特点。且有四个通道，可以实现入射波从任一输出通道输出。

Description

基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关
技术领域
本发明涉及太赫兹器件领域，具体涉及一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关。
背景技术
太赫兹波(THz波)是指介于微波和红外光之间的波，其波长范围是30-3000μm。由于其特殊的光谱位置以及具有安全性好、分辨本领高、透射性好等优点，使得THz技术在物体成像、医疗诊断、环境监测、宽带移动通讯、雷达和天文学等领域受到人们广泛的重视。与无线通信相比，太赫兹波占据的频谱资源更加丰富，因此发展THz通信尤为重要。近年来掀起了一个研究太赫兹通信系统及器件的热潮，其中THz波开关是THz技术应用必不可少的组成部分，成为研究热点。
近几年来，国内外学者对THz波开关进行了大量的研究和探索，包括利用二氧化钒薄膜相变实现THz波开关、利用超材料的吸收特性实现THz波开关、利用克尔介质的吸收特性实现THz波开关、通过改变液晶的折射率实现THz波开关、利用硅波导中的交叉相位调制实现THz波开关、在光子晶体结构中利用禁带特性实现THz波开关。其中基于光子晶体的THz波开关具有结构简单、反应灵敏、易于集成等优势。在现有的THz波技术方案中，只能控制最多3端口的开和关，难以满足多路系统的需要。
磁光子晶体是用磁光材料代替光子晶体结构中的部分普通电介质材料，这种晶体既具有光子晶体的性质，又具有磁光材料的磁光效应。在太赫兹波段对铁氧体材料的电磁性质及其应用的研究表明，铁氧体磁光子晶体在太赫兹波段不仅传输损耗低，又可以通过磁场进行很好的控制，利用磁光子晶体这一独特的性质，可望实现THz波选路开关功能。选路开关是使得输入的信号从某一个特定端口输出的器件。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，解决了开关端口少的问题。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征在于：在完整的具有TE模禁带的光子晶体中间横排移除部分介质柱形成输入波导，在光子晶体纵向上且在输入波导上下端对称地移除部分介质柱形成四路输出波导，四路输出波导与输入波导之间分别保留奇数个介质柱，保留的奇数个介质柱的中心介质柱替换为磁性点缺陷介质柱，磁性点缺陷介质柱与周边的介质柱形成磁性点缺陷微腔；输入波导输入太赫兹波，控制施加到选路开关的外加磁场大小，当某个磁性点缺陷微腔的共振频率与入射太赫兹波的频率相同时，入射波便可耦合到相应的输出波导中输出。
前述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述奇数个介质柱个数最大为5。
前述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述磁性点缺陷介质柱为材料为铁氧体。
前述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述磁性点缺陷介质柱的半径不同。
前述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述外加磁场的大小由加载在电磁铁上的电流大小控制，施加的外磁场方向沿介质柱的轴向。
前述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述选路开关从各个通道输出时，所需要施加的外磁场大小不同。
本发明所达到的有益效果：本发明通过引入四个磁性点缺陷介质柱作为点缺陷，通过调节外加磁场的大小，实现THz波选路功能，可以实现在四个通道中选择任一路输出，具有速度快、体积小、易于集成的特点，改变光子晶体结构的晶格常数，可以设计其他波段其他工作波长的选路开关。
附图说明
图1为本发明选路开关结构示意图；
图2为完整光子晶体结构下的TE模式的能带图；
图3为实例一对应的稳态场强分布图；
图4为实例一对应的时域稳态响应；
图5为实例二对应的稳态场强分布图；
图6为实例二对应的时域稳态响应；
图7为实例三对应的稳态场强分布图；
图8为实例三对应的时域稳态响应；
图9为实例四对应的稳态场强分布图；
图10为实例四对应的时域稳态响应。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，在完整的具有TE模禁带的光子晶体中间横排移除部分介质柱6形成输入波导(即输入通道1)，在光子晶体纵向上且在输入波导上下端对称地移除部分介质柱形成四路输出波导(即输出通道2-5)，四路输出波导与输入波导之间分别保留奇数个介质柱，保留的奇数个介质柱的中心介质柱替换为磁性点缺陷介质柱7-10，磁性点缺陷介质柱与周边的介质柱形成磁性点缺陷微腔；输入波导1输入THz波，控制施加到选路开关的外加磁场大小，当某个磁性点缺陷微腔的共振频率与入射THz波的频率相同时，入射波便可耦合到相应的输出波导中输出。
奇数最大为5，即可以保留1,3,5个介质柱。
磁性点缺陷介质柱为材料为铁氧体，磁性点缺陷介质柱的半径不同。本实施例中，分别为R1＝1.86μm、R2＝1.20μm、R3＝1.50μm、R4＝1.02μm。光子晶体材料为硅。
外加磁场的大小由加载在电磁铁上的电流大小控制，所加磁场方向沿介质柱轴向。由于TE模的磁场方向与外磁场方向垂直，它将引起外磁场周围磁偶极子的运动。对于TE模，铁氧体的磁导率μ是太赫兹波工作波长频率ω、铁氧体的饱和磁化率Ms、外加磁场强度Hex的函数：
其中，ωex＝γHex，ωm＝4πγMs，γ为旋磁比，ωex为外加磁场强度为Hex时的拉莫尔频率，ωm为外加磁场为饱和时对应的拉莫尔频率。对于铁氧体材料，不加磁场时，其磁导率为μ＝1，加磁场后，磁导率增大。调节磁性点缺陷介质柱的尺寸，可在禁带中引入缺陷模式。与缺陷模式相同频率的THz波从输入端1输入，当外加磁场的大小符合某个通道的磁性点缺陷微腔与入射波共振的条件时，THz波能够耦合进此通道，从相应的输出通道输出。通过施加不同大小的磁场，便可实现选路的功能。若改变光子晶体结构中晶格常数的大小，可以设计不同波段的选路开关。
此基于磁光子晶体的四通道THz波选路开关工作原理如下：
在完整的二维正方晶格硅光子晶体中，其能带图如图2所示，其能带图中存在一个TE模禁带，禁带的位置由晶格常数的值决定。在禁带内引入缺陷模式，可以设计选路开关的工作波长。在完整的硅光子晶体结构中移除中间横排部分介质柱形成输入波导，移除竖排部分介质柱形成输出波导，引入四个磁性点缺陷微腔，使入射波耦合到相应的通道实现选路，输入波从哪个输出端口输出是由外加磁场强度控制的。磁性点缺陷介质柱的材料为铁氧体，在没有磁场作用下，其磁导率为1，施加外磁场磁导率会增大。四个通道的点缺陷介质柱尺寸不同，分别为R1、R2、R3、R4，其中R为Si介质柱的半径。选择某个通道时，需要施加不同大小的磁场，通过磁场的大小改变铁氧体磁性材料的磁导率，当微腔的共振频率与工作波长的频率相同时，入射波便可耦合到输出波导中输出。选路开关由输入通道1输入TE波，通过控制磁场的大小，从输出通道2或3或4或5输出。
实例一：
当施加的外磁场大小为Hex1＝16.3γ-1时，磁性点缺陷材料的磁导率变为μ1＝1.20。当点缺陷介质柱的尺寸为R1＝0.31R时，磁性点缺陷微腔与入射波发生共振，入射波在输出通道2的微腔处发生90度向上弯折，从输出通道2输出。图3所示为选择通道2时的稳态场强分布，图4所示为选择通道2时的时域稳态响应。从图3中可以看出，入射THz波大部分从输出通道2输出，由图4可得其透过率为98.35％，其他输出端只有少量THz波输出。故通道2打开，其他通道关闭。选择通道2时开关的消光比为27.89dB，开关稳定时间为47.61ps。
实例二：
当施加的外磁场大小为Hex2＝3.36γ-1时，磁性点缺陷材料的磁导率变为μ2＝2.42。当点缺陷介质柱的尺寸为R2＝0.20R时，点缺陷微腔与入射波发生共振，入射波在输出通道3的微腔处发生90度向下弯折，从输出通道3输出。图5所示为选择通道3时的稳态场强分布，图6所示为选择通道3时的时域稳态响应。从图5中可以看出，入射THz波大部分从输出通道3输出，由图6可得其透过率为98.54％，其他输出端只有少量THz波输出。故通道3打开，其他通道关闭。选择通道3时开关的消光比为14.20dB，开关稳定时间为44.3ps。
实例三：
当施加的外磁场大小为Hex3＝4.98γ-1时，磁性点缺陷材料的磁导率变为μ3＝1.81。当点缺陷介质柱的尺寸为R3＝0.24R时，点缺陷微腔与入射波发生共振，入射波在输出通道4的微腔处发生90度向上弯折，从输出通道4输出。图7所示为选择通道4时的稳态场强分布，图8所示为选择通道4时的时域稳态响应。从图7中可以看出，入射THz波大部分从输出通道4输出，由图8可得其透过率为93.59％，其他输出端只有少量THz波输出。故通道4打开，其他通道关闭。选择通道4时开关的消光比为17.43dB，开关稳定时间为47.80ps。
实例四：
当施加的外磁场大小为Hex4＝2.59γ-1时，磁性点缺陷材料的磁导率变为μ4＝3.20。当点缺陷介质柱的尺寸为R4＝0.17R时，点缺陷微腔与入射波发生共振，入射波在输出通道5的微腔处发生90度向下弯折，从输出通道5输出。图9所示为选择通道5时的稳态场强分布，图10所示为选择通道5时的时域稳态响应。从图9中可以看出，入射THz波大部分从输出通道5输出，由图10可得其透过率为98.54％，其他输出端只有少量THz波输出。故通道5打开，其他通道关闭。选择通道5时开关的消光比为13.33dB，开关稳定时间为42.24ps。
综上所述，本发明通过在光子晶体中引入点缺陷形成微腔，引入线缺陷形成传输波导，利用磁性点缺陷微腔和波导的耦合实现THz波的传输。通过控制磁场的大小，改变磁性点缺陷的磁导率，使得入射波从某一个输出通道输出，达到实现四个通道的THz波选路开关的效果。本发明提出的太赫兹波选路开关具有速度快、体积小、易于集成的特点，且有四个通道，可以实现入射波从任一输出通道输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征在于：在完整的具有TE模禁带的光子晶体中间横排移除部分介质柱形成输入波导，在光子晶体纵向上且在输入波导上下端对称地移除部分介质柱形成四路输出波导，四路输出波导与输入波导之间分别保留奇数个介质柱，保留的奇数个介质柱的中心介质柱替换为磁性点缺陷介质柱，磁性点缺陷介质柱与周边的介质柱形成磁性点缺陷微腔；输入波导输入太赫兹波，控制施加到选路开关的外加磁场大小，当某个磁性点缺陷微腔的共振频率与入射太赫兹波的频率相同时，入射波便可耦合到相应的输出波导中输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述奇数个介质柱个数最大为5。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述磁性点缺陷介质柱为材料为铁氧体。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述磁性点缺陷介质柱的半径不同。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述外加磁场的大小由加载在电磁铁上的电流大小控制，施加的外磁场方向沿介质柱的轴向。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁光子晶体的四通道太赫兹波选路开关，其特征是：所述选路开关从各个通道输出时，所需要施加的外磁场大小不同。
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