CN109471275A - 一种三端口光子晶体环行器 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种三端口光子晶体环行器。该环行器包括Y字型光子晶体波导；铁氧体磁光介质，设置于Y字型光子晶体波导中心，用于使Y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。本发明实施例的技术方案，通过在Y字型光子晶体波导中心设置铁氧体磁光介质，铁氧体磁光介质为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在Y字型光子晶体波导中传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中铁氧体磁光介质既作谐振腔，又提供法拉第旋转，形成一种隔离度更高、插入损耗更小的三端口光子晶体环行器。

Description

一种三端口光子晶体环行器
技术领域
本发明实施例涉及环行器技术，尤其涉及一种三端口光子晶体环行器。
背景技术
环行器是一种实现电磁波信号正向顺序导通而反向传输阻止的多端口非互易无源器件，在微波频段，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；在光频段，光波在传输过程中，会在不同的光学界面上发生反射。当这些反射回程的能量积累达一定程度时，就会干扰光源甚至整个光通信系统的正常工作。环行器可被用于集成光路中隔离相邻模块或器件之间的反射光，从而降低干扰、增强大规模集成光路的稳定性，已然成为当下集成光子学与光通信领域的研究热点。
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三端口光子晶体环行器，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三端口光子晶体环行器，包括：
Y字型光子晶体波导；
铁氧体磁光介质，设置于所述Y字型光子晶体波导中心，用于使所述Y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，所述铁氧体磁光介质包括一个铁氧体磁光介质柱。
可选的，所述铁氧体磁光介质柱为圆柱或三角柱。
可选的，所述铁氧体磁光介质包括一个铁氧体磁光介质球。
可选的，所述铁氧体磁光介质包括两个铁氧体磁光介质片，两个所述铁氧体磁光介质片相对设置，且两个所述铁氧体磁光介质片的中心连线垂直于波导所在的平面。
可选的，采用三角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，所述三角晶格介质柱阵列的介质柱的组成材料包括氧化铝陶瓷、砷化镓陶瓷或氮化硅陶瓷的任意一种。
可选的，所述三角晶格介质柱的形状为圆柱。
可选的，所述铁氧体磁光介质的组成材料为镍-锌铁氧体；
所述镍-锌铁氧体的介电常数为13.5。
可选的，所述三端口光子晶体环行器工作在3cm波长的X波段。
本发明实施例提供的三端口光子晶体环行器，包括一个Y字型光子晶体波导；铁氧体磁光介质，设置于Y字型光子晶体波导中心，用于使Y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。通过在Y字型光子晶体波导中心设置铁氧体磁光介质，铁氧体磁光介质为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在Y字型光子晶体波导中传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中铁氧体磁光介质既作谐振腔，又提供法拉第旋转，形成一种隔离度更高、插入损耗更小的三端口光子晶体环行器。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器的立体结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器功能模拟外部特性示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种三端口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。
本发明实施例提供的三端口光子晶体环行器包括Y字型光子晶体波导；铁氧体磁光介质，设置于Y字型光子晶体波导中心，用于使Y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。
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。铁氧体磁光介质为旋磁材料，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。
图1所示为本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器的结构示意图。参考图1，示例性的，本实施例提供的三端口光子晶体环行器包括一个Y字型光子晶体波导，Y字型光子晶体波导有三个端口，在Y字型光子晶体波导中心设置有铁氧体磁光介质，该铁氧体磁光介质既作谐振腔，又提供法拉第旋转，从A端口入射的电磁波，在外加z方向的恒定磁场的条件下，铁氧体磁光介质被饱和磁化，并使电磁波的传播方向旋转120°，然后可以几乎无损耗地环行到B端口输出，C端口被隔离；从B端口入射的电磁波，可以旋转120°几乎无损耗地环行到C端口输出，端口A被隔离；从C端口入射的电磁波，可以旋转120°几乎无损耗地环行到A端口输出，端口B被隔离，从而实现环行器的功能。
示例性的，图1中的Y字型光子晶体波导由介质柱周期性排列在空气中形成，介质柱的截面形状和铁氧体磁光介质的横截面均为圆形。在其他实施例中还可以设置介质柱和铁氧体磁光介质的横截面为其他形状，在此不再具体图示和说明。
本发明实施例的技术方案，通过在Y字型光子晶体波导中心设置铁氧体磁光介质，铁氧体磁光介质为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在Y字型光子晶体波导中传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中铁氧体磁光介质既作谐振腔，又提供法拉第旋转，形成一种隔离度更高、插入损耗更小的三端口光子晶体环行器。
在上述技术方案的基础上，可选的，铁氧体磁光介质包括一个铁氧体磁光介质柱。
可选的，采用三角晶格介质柱阵列周期性排列于空气中以构成光子晶体。
图2所示为本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器的立体结构示意图。参考图2，本实施例提供的三端口光子晶体环行器包括一个采用三角晶格介质柱阵列周期性排列于空气中形成的Y字型光子晶体波导，该Y字型光子晶体波导包括多个介质柱10，波导中心设置一个铁氧体磁光介质柱20，且铁氧体磁光介质柱20的高度小于介质柱10的高度。
可以理解的是，Y字型光子晶体波导的形成过程可以为：多个介质柱10阵列排布于空气中形成三角晶格光子晶体，然后在光子晶体中分别沿水平负方向、与水平成-60°角方向和与水平成60°角方向移去若干个介质柱10，形成三个交叉呈120°角且旋转对称的Y字型光子晶体波导。
可选的，铁氧体磁光介质柱为圆柱或三角柱。
可选的，三角晶格介质柱的形状为圆柱。
示例性的，继续参考图2，图2所示的三端口光子晶体波导的介质柱10和铁氧体磁光介质柱20均为圆柱，圆柱结构简单，容易加工，且边界条件简单，模拟光子晶体波导中电磁波的传输结果比较准确。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，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传输不同波长电磁波的三端口光子晶体环行器。
波导中心设置的铁氧体磁光介质柱还可以是三角柱、四棱柱等其他形状，可以根据实际需求和工艺条件制作，只需要匹配波导中传输的电磁波，既作谐振腔，又提供法拉第旋转实现环行器的功能。对于不同尺寸铁氧体磁光介质柱，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，与光子晶体波导配合，可以设计出传输不同波长电磁波的三端口光子晶体环行器。
可选的，铁氧体磁光介质包括一个铁氧体磁光介质球。
需要说明的是，铁氧体磁光介质还可以设置为球形，可以根据实际需求和工艺条件制作，只需要匹配波导中传输的电磁波，既作谐振腔，又提供法拉第旋转实现环行器的功能。
可选的，铁氧体磁光介质包括两个铁氧体磁光介质片，两个铁氧体磁光介质片相对设置，且两个铁氧体磁光介质片的中心连线垂直于波导所在的平面。
需要说明的是，铁氧体磁光介质还可以设置为两个铁氧体磁光介质片，两个铁氧体磁光介质片可以形状完全相同，也可以稍有不同，分别贴附于Y字型光子晶体波导中心的上下两侧，使两个铁氧体磁光介质片的中心连线与波导所在的平面垂直，实现环行器的功能。
可选的，三角晶格介质柱阵列的介质柱的组成材料包括氧化铝陶瓷、砷化镓陶瓷或氮化硅陶瓷的任意一种。
可以理解的是，氧化铝陶瓷、砷化镓陶瓷以及氮化硅陶瓷材料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，铁氧体磁光介质的组成材料为镍-锌铁氧体；
镍-锌铁氧体的介电常数为13.5。
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，本实施例中，镍-锌铁氧体的介电常数为13.5。
可选的，本实施例提供的三端口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。
示例性的，本发明实施例提供一种工作在3cm波段的三端口光子晶体环行器，并对其性能进行理论模拟和实验验证，其结构可以参考图2。本实施例采用圆柱形氧化铝陶瓷棒形成三角晶格光子晶体波导，具体的，氧化铝陶瓷棒半径为3mm，晶格常数为8mm。光子晶体波导中心设置一个圆柱型镍-锌铁氧体圆柱。
传统地，环行器的工作频段和中心频率是铁氧体在外加恒定磁场和给定的边界条件下，求解张量情况下麦克斯韦方程所得。对于一个铁氧体柱Y型波导环行器，如果铁氧体柱被视为一个圆柱谐振腔的话，那么环行器的中心频率约等于铁氧体柱的谐振频率。根据这一理论，铁氧体柱的谐振频率取决于其半径和高度，可以用如下的关系式表示：
其中，εf表示镍-锌铁氧体的相对介电常数，本实施例中取13.5，lf表示镍-锌铁氧体的高度，R表示镍-锌铁氧体的半径，x是一个折中值，它是用来保证铁氧体的尺寸能够适合环行器结腔的尺寸，这里x取2.4。采用这种方法，铁氧体柱的尺寸就可以首先根据给定的中心频率来设计。本实施例中三角晶格光子晶体波导传输电磁波的中心频率在9.8GHz频率处，因此我们选择环行器的中心频率为9.8GHz。当选择铁氧体柱半径为4.7mm时，根据式(1)计算得到的铁氧体柱的高度为8.13mm。
在实验验证上述三端口光子晶体环行器之前，采用有限元方法在9.8GHz处，模拟环行器的功能及外部特性，图3所示为本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器功能模拟外部特性示意图。参考图2，在铁氧体柱z方向上加H0＝2.55×105A/m的恒定磁场，计算区域被分为11.2万个单元并且将边界条件设定为散射边界条件。
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。
本实施例数值模拟时，电磁波从A端口输入时，电磁波传播方向发生120°的旋转，传输到B端口(输出端口)，C端口被隔离。环行器的外部特性随频率的变化情况，如图3所示。在中心频率9.8GHz处，隔离度达到-28.56dB，插入损耗低至-0.02dB。当频率偏离中心频率时，环行器的外部特性逐步变差。
为了验证本发明实施例提供的三端口光子晶体环行器的优越性，本发明实施例在工作频率约9.8GHz处进行实验验证。环行器和网络分析仪通过电缆、SMA连接器和波导同轴转换器相连接。外加恒定磁场由烧结钕铁硼(NdFeB)永磁体提供。
图4所示为本发明实施例提供的一种三端口光子晶体环行器外部特性测量结果示意图。参考图4，实验结果表明，当电磁波从A端口输入，传输到B端口(输出端口)，C端口被隔离。在中心频率9.83GHz处，所测得的插入损耗为-4.09dB；C端口对端口A的隔离度为-61.11dB；现有环行器的产品，隔离度一般要求小于-20dB，本实施例中环行器的工作带宽为105MHz(隔离度<-20dB)。
由图4与图3对比可知，环行器都隔离度和插入损耗的实验值与理论值随频率变化的趋势都完美符合。且测得的隔离度峰值-61.11dB，表明环行器在中心频率9.83GHz处具有超高隔离度。
本发明实施例提供的三端口光子晶体环行器，通过在Y字型光子晶体波导中心设置铁氧体磁光介质，铁氧体磁光介质为旋磁材料，在外加恒定磁场的作用下具有旋磁特性，使在Y字型光子晶体波导中传输的电磁波产生法拉第旋转效应，其中铁氧体磁光介质既作谐振腔，又提供法拉第旋转，形成一种隔离度更高、插入损耗更小的三端口光子晶体环行器。而且该环行器结构简单，容易加工，根据本方案的设计思路，可以制造毫米波、太赫兹波段的光子晶体环行器。为微波通信或全光通信器件的小型化、集成化提供了新的方案。
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 (10)

1.一种三端口光子晶体环行器，其特征在于，包括：
Y字型光子晶体波导；
铁氧体磁光介质，设置于所述Y字型光子晶体波导中心，用于使所述Y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。
2.根据权利要求1所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述铁氧体磁光介质包括一个铁氧体磁光介质柱。
3.根据权利要求2所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述铁氧体磁光介质柱为圆柱或三角柱。
4.根据权利要求1所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述铁氧体磁光介质包括一个铁氧体磁光介质球。
5.根据权利要求1所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述铁氧体磁光介质包括两个铁氧体磁光介质片，两个所述铁氧体磁光介质片相对设置，且两个所述铁氧体磁光介质片的中心连线垂直于波导所在的平面。
6.根据权利要求1所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，采用三角晶格介质柱阵列周期性排列于空气中以构成光子晶体。
7.根据权利要求6所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述三角晶格介质柱阵列的介质柱的组成材料包括氧化铝陶瓷、砷化镓陶瓷或氮化硅陶瓷的任意一种。
8.根据权利要求6所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述三角晶格介质柱的形状为圆柱。
9.根据权利要求1所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述铁氧体磁光介质的组成材料为镍-锌铁氧体；
所述镍-锌铁氧体的介电常数为13.5。
10.根据权利要求1所述的三端口光子晶体环行器，其特征在于，所述三端口光子晶体环行器工作在3cm波长的X波段。
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