CN115016118B - 单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法 - Google Patents

单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法。本发明通过对光子晶体波导，微腔和正六边形谐振腔结构进行参数设计，使波导通道支持单向传输的拓扑光子态，且改变磁光光子晶体的磁场方向可以动态选择输入和输出端口。微腔和环形谐振腔的耦合作用可以抑制其他的谐振模式而得到唯一的共振频率，只需要改变微腔的参数就能够方便地调节系统的共振频率，微腔同时可以起到磁控开关作用来操控上传和下载的耦合条件。此外，该滤波器具有较强的鲁棒性，其性能不受各种结构缺陷的影响。本发明在光通信、耦合传输和波分复用等领域具有很大的应用前景。

Description

单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法
技术领域
本发明涉及拓扑光子学、微波光学、耦合传输领域，特别涉及单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法。
技术背景
光学滤波器是实现多通道的解波分复用、密集型波分复用等功能的重要器件，它可以实现对光信号的传输、处理、获取以及交换。随着科学技术的不断更新与发展，在信号检测、武器装备和疾病诊断等方面对滤波器的要求也越来越高，传统的电学滤波器存在明显的缺陷，其尺寸较大，且容易受到周围电磁环境的干扰，在恶劣环境中无法使用，适应性较差。光学滤波器因其超低的损耗、较大的工作带宽以及良好的抗电磁干扰能力，能够极大地提高对光传输的操纵性和选择性，增强光与物质之间的相互作用，从而成为现在全光信息处理系统的研究热点。
近年来随着光子晶体(PC)的理论和实验研究的蓬勃发展，各种以光子晶体为材料制备的光器件开始被广泛研究。类似于半导体可以控制电子流动的方向，光子晶体器件可以通过改变光子晶体结构来控制和引导光子的流动，因此被称为“21世纪的半导体”。利用光子晶体制作的滤波器是光路集成化的一种重要器件，是处理某个特定信道或者多个信道光信号的关键器件。光子晶体滤波器的工作带宽己经可以覆盖从低频到红外以外的范围，在光学信息精密测量、波分复用技术等领域中，光子晶体滤波器有着十分广泛的应用前景。
目前，利用光子晶体波导和光子晶体谐振腔之间的耦合机制来设计构造高品质选频滤波器是光通信领域的众多研究热点之一。通过在二维光子晶体结构中同时加入线缺陷和点缺陷，线缺陷构成一个导光通道作为光波导，点缺陷将光子局域在这个缺陷周围作为微腔。利用光子晶体波导和光子晶体微腔之间的模式耦合，可以将光信号由波导耦合进入微腔或者由微腔耦合进波导继续传输。二维光子晶体微腔和波导组合构成的光子晶体滤波器结构不仅设计灵活、制备简单，而且对光传输具有很强的控制能力，通过改变微谐振腔体介质柱的介电常数或介质柱的半径，可以实现对不同波长的耦合从而达到滤波、分频、波分复用等功能，光子晶体滤波器是光通信系统中的重要器件。
但是点缺陷构成的微谐振腔结构较为简单，存在谐振波长调节范围有限、谐振模式单一等缺点，而且多个点缺陷微腔耦合会导致多波长之间的相互串扰加重，信号隔离度会降低。近年来，研究人员又提出了由环形线缺陷构成的光子晶体环形谐振腔，其结构设计更灵活、可拓展性更好，具有多模特性能同时存在多个缺陷模式。环形谐振腔与波导的耦合，集成度高、线宽窄、可调谐性强，因此具有更好的通频滤波特性的环形谐振腔逐渐取代了点谐振腔。对于常规光子晶体构建的环形谐振腔，为了提高传输效率，通常需要添加一些散射棒来减少光散射损失，这将不可避免地增加结构的复杂性。此外，波导障碍和制造缺陷也会导致后向散射，从而降低传输性能。对于磁光光子晶体(MOPC)构建的环形谐振腔，它的结构相对简单，可以利用磁场来进行调控，并且对缺陷或后向散射具有较强的鲁棒性(Q.Zhang and L.Xun,"One-Way Rotating Photonic Crystal Ring Resonator WithHigh Quality Factor,"IEEE Photonics Journal 10(3),1-10(2018))。但当要改变该结构的谐振频率时，需要仔细修改环形腔内磁光介质柱的参数(如半径、介电常数和位置等)，调节较复杂不利于制造。到目前为止，还没有将单向波导、微腔和环形谐振腔结合起来研究耦合效应及其相关应用的研究工作。因此，研究它们三者之间的耦合传输，可以在不引入异质结构或者改变环形腔内磁光介质棒尺寸的情况下，为实现高性能可操纵的单向滤波器提供良好的条件，有利于简化结构和提高传输效率。
发明内容
为了克服上述现有光子晶体滤波器的缺点与不足，本发明的目的之一是在于提供一种新型可调控的基于环形谐振腔的磁光光子晶体滤波器及其设计方法，使该磁光光子晶体环形腔滤波器不仅具有较高的透射率和良好的鲁棒性，而且能够利用微腔的磁场对耦合条件进行调控，利用微腔的磁光介质柱对谐振频率进行选择，实现滤波选频和光开关的功能。
本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。
单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，包括以下步骤；
S1、构建上行波导和下行波导两条单向波导：将第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体分别放置在常规光子晶体两侧相同的距离构建线缺陷波导，构成上行波导和下行波导两条单向波导；施加磁场的磁光光子晶体会产生单向传输的手性边界模式，中间的常规光子晶体作为覆盖层可以防止单向边界态的扩散。调节第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体以及常规光子晶体的尺寸以获得最宽的光子带隙，同时调节波导的宽度以保证光波信号能够在两条单向波导中稳定地传输；
S2、构建磁光光子晶体环形谐振腔和两个微腔：在常规光子晶体中心区域，利用7个磁光介质柱来代替原来位置按三角晶格排列的常规介质柱，并移除常规光子晶体周围一圈常规介质柱引入环形线缺陷，从而构建正六边形磁光光子晶体环形谐振腔；为了能够增强和操纵单向波导和环形谐振腔之间的耦合传输和相互作用，在磁光光子晶体环形谐振腔靠近单向波导的两侧的相同位置分别用一个磁光介质柱来取代常规介质柱引入点缺陷，从而构建第一磁光微腔A和第二磁光微腔B；
S3、将处于谐振频率的脉冲信号从上行波导的一个端口入射，通过控制第一磁光微腔A和第二磁光微腔B中的磁场的有无，来操纵谐振光信号能否进入磁光光子晶体环形谐振腔以及能否下降到下行波导完成滤波输出，从而实现利用磁光微腔的磁控开关作用来调控滤波器的耦合条件；
S4、利用结构的对称性和磁场的可调性，通过改变激发源的位置以及第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体的磁场方向来动态切换输入和输出端口，让谐振光信号可以从任意一个端口入射和出射，从而实现单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器任意端口的上传和下载功能，计算各端口的归一化透射谱；
S5、在两条单向波导和磁光光子晶体环形谐振腔中引入不同类型的障碍和缺陷，探究单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的透射谱和能流传输能够容忍结构缺陷，从而实现鲁棒性传输。
进一步地，在步骤S1中，所述第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体均为正方晶格磁光光子晶体；
所述常规光子晶体为三角晶格常规光子晶体。
进一步地，在步骤S1中，第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体与常规光子晶体之间的距离需要确保能够构建线缺陷波导。
进一步地，在步骤S1中，调节第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体，以及常规光子晶体的半径大小，以获得具有最宽频率范围的工作带宽；
第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体由半径为r1＝0.13a1的钇铁石榴石铁氧体(YIG)棒构成；常规光子晶体由半径为r2＝0.12a2的Al2O3介质棒构成；第一磁光光子晶体、第二磁光光子晶体和常规光子晶体具有相同的晶格常数，即a1＝a2＝a＝3.87cm，背景为空气。
进一步地，在步骤S1中，设置上行波导和下行波导两条波导宽度，以确保脉冲信号能够稳定地在波导中单向传输；
上行波导和下行波导单向波导的宽度设置为wd1＝wd2＝wd＝1.0a，以获得较好的稳定单向传输。
进一步地，在步骤S2中，所述正六边形磁光光子晶体环形谐振腔是利用7个半径为a1的YIG棒来代替原来位置按三角晶格排列的Al2O3棒并移除周围一圈Al2O3棒而构成的；
正六边形磁光光子晶体环形谐振腔靠近单向波导的两侧的第一磁光微腔A和第二磁光微腔B，分别利用一个半径为r3＝0.28a的YIG棒代替原Al2O3棒构成；
引入的第一磁光微腔A、第二磁光微腔B和正六边形磁光光子晶体环形谐振腔发生耦合作用能够抑制其他谐振模式而得到唯一的共振模式。
进一步地，在整个实验中，如无特殊说明，对所有的磁光光子晶体都施加直流偏置磁场H0＝1600G。因为在此磁场作用下，非零陈数禁带的宽度最大，使得此时有较大的工作带宽。
进一步地，在步骤S3中，将处于谐振频率的脉冲信号从上行波导的一个端口入射，通过依次对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加直流偏置磁场H0，谐振光信号将先进入正六边形磁光光子晶体环形谐振腔，再下降到下行波导完成滤波输出，从而通过对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加或去除磁场来充当磁控开关操纵滤波器的耦合条件。
进一步地，在步骤S4中，改变激发源的位置和第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体的磁场方向，让谐振光信号从上行波导进行下降或者从下行波导进行上传到不同端口完成输入和输出，绘制各端口的归一化透射谱，从而实现单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器任意端口的上传和下载功能。
进一步地，在步骤S5中，分别引入不同类型的波导和谐振腔缺陷，观察脉冲信号在规避和抵抗波导缺陷的电场分布情况，探究单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的传输鲁棒性，探究过程中需要避免过多的引入谐振腔缺陷而导致能量损耗和谐振频率突变。
本发明的原理如下：
在三角晶格氧化铝光子晶体上下两侧放置正方晶格磁光光子晶体构成两个具有相同且合适宽度的波导，对磁光光子晶体施加磁场可以打破时间反转对称性产生非零陈数禁带，且该非零陈数禁带被氧化铝的禁带完全覆盖，因此中间区域的氧化铝可以作为覆盖层限制光波能量的散射和损耗。在非零陈数禁带内产生具有单向传输的手性边界态，且磁场方向能够控制两个波导手性边界态的传输方向。在氧化铝光子晶体通过用YIG棒替换Al2O3棒分别引入点缺陷和环形线缺陷，从而构造点缺陷微腔和正六边形环形谐振腔，缺陷态可以将光波局限在缺陷区域。光子晶体滤波器是通过波导和环形谐振腔的谐振耦合，来实现光波的传输和频率选择，以达到滤波功能。具体来说，光波从上行波导的输入端口输入后，经过耦合区域时满足频率要求的光波会耦合进入环形谐振腔内，同时下行波导也会与环形谐振腔发生耦合，最终光波下降到下行波导从输出端口输出，进而实现对特定频率或多个频率的选频滤波功能。而对于非谐振频率的光波，则不会被耦合进入环形谐振腔，直接从上行波导单向输出。由于环形谐振腔具有多模模式，增添的两个磁光微腔既充当开关作用控制滤波器下载和上传的耦合条件，又能利用微腔和环形腔的耦合筛选出特定频率的脉冲信号。利用结构的对称性和磁场的可调性，处于谐振频率的光波可以顺利地下降到下行通道或者上传到上行通道，每个独立的端口都可以增添或去除光信号，通过动态的切换输出端口和输入端口，从而实现该滤波器的上传和下载功能。基于拓扑边界态具有良好的鲁棒性和缺陷抗扰性等独特的物理特性，当在波导中引入障碍和缺陷时，电磁波的传播没有被阻挡，而是能够在缺陷和磁光光子晶体之间构建一个新的通道来绕过障碍，继续沿着波导通道进行单向传输，整个过程几乎没有能量损耗。当在环形腔中引入无序缺陷时，环腔中的能量流并没有发生紊乱，而是能够正常循环流动。虽然各种类型的缺陷引起了一定的相位延迟，但不论是波导缺陷还是环形腔缺陷都不会造成背向散射和能量损耗，对谐振频率和透射效率的影响很小，几乎可以忽略不计，从而实现该滤波器很强的鲁棒性。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和优异效果：
(1)发明原理：现有的光子晶体滤波器主要是通过光子晶体波导和环形谐振腔的耦合实现光波的传输和频率选择以达到滤波功能。而本发明中所运用的是两个可以利用磁场控制传输方向的单向拓扑波导，以及环形谐振腔和磁光介质微腔相结合的强耦合效应，这是一种全新的滤波机理。
(2)磁控开关功能：现有的绝大多数光子晶体滤波器不具备可操纵的性能。而本发明中磁光材料具备外磁场可调性，可以通过对两个微腔施加或去除外界磁场来改变其光学性质，从而实现了对滤波选频通断的操控，因此只需改变微腔磁场就能够实现滤波和开关功能，易于控制。
(3)调频方便：现有的基于环形谐振腔滤波器往往是通过改变环腔内所有介质柱的参数(如半径、介电常数等)来调节谐振频率，比较复杂不易操作。而微腔的引入使得只需要改变微腔的尺寸就可以有效地调整和准确地获得整个系统的谐振频率，操作简单，更方便制造和频率控制。
(4)结构简单：现有的光子晶体滤波器结构往往是需要精细地设计局部结构尺寸，通过移动特定的散射体或者引入异质结构来抑制散射。而本发明中由于是利用磁光光子晶体和常规光子晶体界面产生的拓扑边界态特性以及磁光材料的磁场可调控性，因此无需引入额外的结构复杂性，这为实际设计所涉及到的结构制备、加工工艺等提供了非常巨大的便利。
(5)上传和下载功能：现有的光子晶体滤波器其输入通道和输出通道固定。而本发明中利用结构对称性，通过改变施加在磁光光子晶体阵列的磁场方向和激励源的位置，每个独立端口都可以增添或去除特定频率的光信号，输出端口和输入端口能够动态切换从而实现滤波器的上传和下载功能。
(6)鲁棒性传输：现有的光子晶体谐振器由于表面粗糙度会产生后向散射，耦合传输通常对谐振器和反馈机制之间的相移敏感，滤波器的性能容易受到波导缺陷的影响。而基于拓扑边界态的磁光光子晶体波导同时具有单向传输、抗背向散射以及免疫缺陷等特性，这解决了现有光子晶体滤波器系统中由于障碍缺陷或环境变化而引起的背向散射和能量损耗等问题。
附图说明
图1为本发明的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器示意图。
图2为本发明的两条单向波导的投影能带和本征场分布示意图。
图3为本发明的实施例1的磁光光子晶体环形腔滤波器实现磁控开关功能的电场分布图。
图4为本发明的实施例2的磁光光子晶体环形腔滤波器实现上传和下载的窄带滤波的电场分布和透射谱图。
图5为本发明的实施例3的拓扑磁光光子晶体环形腔滤波器实现鲁棒性传输的计算结果图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，包括以下步骤；
S1、构建上行波导和下行波导两条单向波导：
通过对磁光光子晶体和常规光子晶体的能带结构进行计算发现，施加磁场的磁光光子晶体会打破时间反演对称性，第二、三条能带分离形成非零陈数禁带，从而产生单向边界模式。为了不使单向边界态散发到空气中而产生较大的损耗，利用能完全覆盖磁光光子晶体非零陈数禁带的常规光子晶体作为覆盖层；因此，将第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体分别放置在常规光子晶体两侧相同的距离构建线缺陷波导，构成上行波导和下行波导两条单向波导；施加磁场的磁光光子晶体会产生单向传输的手性边界模式，中间的常规光子晶体作为覆盖层可以防止单向边界态的扩散。调节第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体以及常规光子晶体的尺寸以获得最宽的光子带隙，同时调节波导的宽度以保证光波信号能够在两条单向波导中稳定地传输；
所述第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体均为正方晶格磁光光子晶体；
所述常规光子晶体为三角晶格常规光子晶体。
第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体与常规光子晶体之间的距离需要确保能够构建线缺陷波导。
调节第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体，以及常规光子晶体的半径大小，以获得具有最宽频率范围的工作带宽；
第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体由半径为r1＝0.13a1的钇铁石榴石铁氧体(YIG)棒构成；常规光子晶体由半径为r2＝0.12a2的Al2O3介质棒构成；第一磁光光子晶体、第二磁光光子晶体和常规光子晶体具有相同的晶格常数，即a1＝a2＝a＝3.87cm，背景为空气，YIG和Al2O3棒的相对介电常数分别为ε1＝15和ε2＝8.9。
当两种光子晶体确定为以上结构参数时，三角晶格Al2O3棒的带宽能完全覆盖正方晶格YIG棒的非零陈数禁带，使得磁光光子禁带宽度能最大的满足单向边界态的工作带宽。
设置上行波导和下行波导两条波导宽度，以确保脉冲信号能够稳定地在波导中单向传输；
上行波导和下行波导单向波导的宽度设置为wd1＝wd2＝wd＝1.0a，以获得较好的稳定单向传输。
S2、构建磁光光子晶体环形谐振腔和两个微腔：在常规光子晶体中心区域，利用7个磁光介质柱来代替原来位置按三角晶格排列的常规介质柱，并移除常规光子晶体周围一圈常规介质柱引入环形线缺陷，从而构建正六边形磁光光子晶体环形谐振腔；为了能够增强和操纵单向波导和环形谐振腔之间的耦合传输和相互作用，在磁光光子晶体环形谐振腔靠近单向波导的两侧的相同位置分别用一个磁光介质柱来取代常规介质柱引入点缺陷，从而构建第一磁光微腔A和第二磁光微腔B；
所述正六边形磁光光子晶体环形谐振腔是利用7个半径为a1的YIG棒来代替原来位置按三角晶格排列的Al2O3棒并移除周围一圈Al2O3棒而构成的；
正六边形磁光光子晶体环形谐振腔靠近单向波导的两侧的第一磁光微腔A和第二磁光微腔B，分别利用一个半径为r3＝0.28a的YIG棒代替原Al2O3棒构成；当对微腔YIG棒施加外界磁场时，微腔能将处于谐振频率的光波能量从波导中全部耦合进入环形谐振腔；
引入的第一磁光微腔A、第二磁光微腔B和正六边形磁光光子晶体环形谐振腔发生耦合作用能够抑制其他谐振模式而得到唯一的共振模式。
进一步地，在整个实验中，如无特殊说明，对所有的磁光光子晶体都施加直流偏置磁场H0＝1600G。因为在此磁场作用下，非零陈数禁带的宽度最大，使得此时有较大的工作带宽。
S3、将处于谐振频率的脉冲信号从上行波导的一个端口入射，通过依次对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加直流偏置磁场H0，谐振光信号将先进入正六边形磁光光子晶体环形谐振腔，再下降到下行波导完成滤波输出，从而通过对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加或去除磁场来充当磁控开关操纵滤波器的耦合条件；
S4、利用结构的对称性和磁场的可调性，通过改变激发源的位置以及第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体的磁场方向来动态切换输入和输出端口，让谐振光信号可以从任意一个端口入射和出射，从而实现单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器任意端口的上传和下载功能，计算各端口的归一化透射谱；
S5、在两条单向波导和磁光光子晶体环形谐振腔中引入不同类型的障碍和缺陷，探究单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的透射谱和能流传输能够容忍结构缺陷，从而实现鲁棒性传输。
本实施例中，实现磁控开关的方法，包括以下步骤：
第一步：取两条波导的超胞结构，如图2中的图a所示。利用有限元法计算投影能带，可以发现在光子带隙为[3.5GHz,3.9GHz]中有两条关于kx＝0对称的色散曲线，如图2中的图b所示。色散曲线的斜率表征电磁波的群速度，两条曲线只有正或负的斜率，意味着这两个曲线分别表征上行波导支持的前向传播边界态和下行波导支持的后向传播边界态，其本征场分布如图2中的图c所示。
第二步：构建微腔-环形谐振腔的组合体结构，并计算共振频率。正六边形磁光光子晶体环形谐振腔由于其多模特性而具有多个谐振模式。将两个点缺陷微腔对称地添加到环形谐振腔的上下两侧，利用两者的耦合效应并通过调节微腔中YIG介质柱的半径，可以得到只有一种具有高品质因子的谐振模式出现，而其他模则受到强烈抑制，同时能够将波导中的光波能量全部耦合进入谐振腔。
第三步：通过依次施加微腔磁场来实现磁控开关功能。将处于f0＝3.786GHz共振频率振荡的点源放置在上行波导的端口1，第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体施加-H0的磁场。如图3中的图a所示，当第一磁光微腔A和第二磁光微腔B都不施加磁场时，由于谐振耦合条件被破坏，电磁波只能沿着上行通道直接从上行波导的端口2输出，而不会耦合到环形谐振腔中，此时为‘断路’。当仅对第一磁光微腔A施加+H0时，如图3中的图b所示，部分光波能够耦合到环形谐振腔中，但不能进入下行波导。在此过程中，能量沿着反向‘Ω’形路径逆时针流动并从端口2输出。然而，当+H0施加到两个第一磁光微腔A和第二磁光微腔B时，如图3中的图c所示，上行通道中的光波首先通过第一磁光微腔A的耦合效应进入环形谐振腔，然后通过第二磁光微腔B的耦合进入下行通道。由于手性边界态(TPS)的单向性，光信号最终从端口3全部输出。将处于谐振频率的脉冲信号从上行波导(或下行波导)的一个端口入射，因此，通过控制第一磁光微腔A和第二磁光微腔B中的磁场的有无，来操纵谐振光信号能否进入环形谐振腔以及能否从下行波导(或上行波导)中输出，从而实现利用第一磁光微腔A和第二磁光微腔B的磁控开关作用来调控滤波器的耦合条件。
第四步：进一步计算垂直方向上沿轴线的平均能量密度如图3中的图d所示，可以看到存在两个主峰和两个次峰，由于局域作用，微腔中的能量分布远大于波导中的能量分布。进一步计算了信道隔离度Ic＝10lg(P1/P2)，其中P1和P2分别对应微腔和波导中的能量分布。Ic的计算值为24.85，反映了两个单向波导信道之间隔离度较大，具有较强的抗串扰能力。因此基于单向波导、微腔和环形谐振腔共同的耦合效应，光子晶体滤波器可以筛选出谐振频率光波，同时也证明了对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加磁场可以控制滤波器的耦合条件，起到了磁控开关的作用。
实施例2：
本实施例中，实现光波下载和上传的窄带滤波的方法除下述特征外，其余特征均与实施例1相同。
研究结果表明施加在第一磁光微腔A和第二磁光微腔B的磁场方向对耦合效率有着显著的影响，只有当第一磁光微腔A和第二磁光微腔B的磁场沿同一方向时，才能获得最高的透射率。本实施例中设置第一磁光微腔A和第二磁光微腔B的磁场方向都为+H0。
第一步：探讨输出端口的可调性。如图4中的图a所示，将施加在下方第二磁光光子晶体的直流磁场从-H0切换到+H0，下降到下行波导的电磁波向右传播并从端口4而非端口3输出。因此，一旦施加于下方第二磁光光子晶体的磁场方向逆转，下载波导中的电磁波将相应地反向传播，这意味着该光子晶体滤波器提供了可选择的输出端口来获取所需的信号。
第二步：探究输入端口的可调性和滤波器的上传功能。为了实现谐振光信号能够有效地上传到上行波导，改变激发源的位置并相应改变施加于下方第二磁光光子晶体的磁场方向。如图4中的图b和图4中的图c所示，此时下载波导的端口3和端口4分别成为输入端口。可以清楚地看到，谐振频率的电磁波沿着下行波导单向传输，然后通过磁光光子晶体环形谐振腔与第一磁光微腔A和第二磁光微腔B的耦合作用被上传到上行通道中，最后从端口2输出。因此，基于结构的对称性和磁场的可调性，实现了输入端口和输出端口的动态切换以及光子晶体滤波器的上传功能。
第三步：进一步计算透射光谱来验证该滤波器的窄带滤波性能。图4中的图d显示了三个输出端口2、3和4的归一化透射谱。可以清楚地看到端口4在共振频率f0＝3.786GHz处有一个尖峰，此时端口2和端口3没有能量输出。利用透射谱，计算滤波效率和品质因子Q，其中Q＝λ0/Δλ，λ0为透射峰的中心波长，Δλ＝|λ2-λ1|，λ2和λ1是透射率下降到50％时对应的两个波长。计算得到的Q＝1460，透射效率为99.7％。无论是下载还是上传过程，只有处于谐振频率的电磁波才能够有效地耦合到输出端口，而其他频率的电磁波则不能发生谐振，且不同情况下的透射谱不受输入输出端口变化的影响，总是保持不变。因此，这意味着谐振频率的电磁波在下载或上传过程中能够发生很好的谐振耦合，实现了该滤波器的窄带滤波功能。
实施例3：
本实施例的实现对不同类型缺陷的鲁棒性的方法除下述特征外，其余特征均与实施例2相同。
第一步：探究对各种波导缺陷的鲁棒性。在上行波导和下行波导中，本实施例中分别利用磁场改变其输入端口和输出端口，并同时引入了两种不同类型的缺陷，如图5中的图a和图5中的图b所示。一种是插入宽为2a厚度为0.1a(由白色矩形表示)的理想电导体板(PEC)构成障碍缺陷，另一种是通过随机改变Al2O3/YIG介质棒的位置和尺寸(在白色椭圆圈出)而引入的无序缺陷。然而，电磁波并没有因为障碍或者缺陷的引入被阻塞，而是能够在障碍和磁光光子晶体之间创建一个新的通道来绕过缺陷，然后继续沿着波导单向传播，在整个绕行过程中几乎没有能量损失。由于拓扑光子态支持的单向边界模式和良好的鲁棒性消除了后向散射，这两种情况下的透射谱与没有引入缺陷时的透射谱(即图4中的图d)几乎完全相同。
第二步：在波导缺陷的基础上，还研究了引入两种不同类型的谐振腔缺陷对传输性能的影响。一种是将磁光光子晶体环形谐振腔中的一个YIG棒向上偏移0.3a，另一种是将其半径减少一半(用圆圈表示)，共振耦合时电场分布的模拟结果分别如图5中的图c和图5中的图d所示。在这两种情况下，正六边形磁光光子晶体环形谐振腔中的能量流几乎没有变化，电磁波可以规避这些紊乱和缺陷，在环形谐振腔中循环流动，最终上传到上行波导的输出端口，整个过程中能量损失很小。虽然缺陷的引入会导致相位发生一定的延迟，但相应的传输效率和谐振频率却几乎不受影响。这些结果表明，利用单向拓扑边界态和正六边形磁光谐振器能够抑制各种类型缺陷引起的后向散射，较强的鲁棒性保证了该滤波器良好的滤波性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，包括以下步骤；
S1、构建上行波导和下行波导两条单向波导：将第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体分别放置在常规光子晶体两侧相同的距离构建线缺陷波导，构成上行波导和下行波导两条单向波导；调节第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体以及常规光子晶体的尺寸以获得最宽的光子带隙，同时调节波导的宽度；
S2、构建磁光光子晶体环形谐振腔和两个微腔：在常规光子晶体中心区域，利用7个磁光介质柱来代替原来位置按三角晶格排列的常规介质柱，并移除常规光子晶体周围一圈常规介质柱引入环形线缺陷，从而构建正六边形磁光光子晶体环形谐振腔；在磁光光子晶体环形谐振腔靠近单向波导的两侧的相同位置分别用一个磁光介质柱来取代常规介质柱引入点缺陷，从而构建第一磁光微腔A和第二磁光微腔B；
S3、将处于谐振频率的脉冲信号从上行波导的一个端口入射，通过控制第一磁光微腔A和第二磁光微腔B中的磁场的有无，来操纵谐振光信号能否进入磁光光子晶体环形谐振腔以及能否下降到下行波导完成滤波输出，从而实现利用磁光微腔的磁控开关作用来调控滤波器的耦合条件；
S4、利用结构的对称性和磁场的可调性，通过改变激发源的位置以及第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体的磁场方向来动态切换输入和输出端口，让谐振光信号可以从任意一个端口入射和出射，从而实现单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器任意端口的上传和下载功能，计算各端口的归一化透射谱；
S5、在两条单向波导和磁光光子晶体环形谐振腔中引入不同类型的障碍和缺陷，探究单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的透射谱和能流传输能够容忍结构缺陷，从而实现鲁棒性传输。
2.根据权利要求1所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S1中，所述第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体均为正方晶格磁光光子晶体；
所述常规光子晶体为三角晶格常规光子晶体。
3.根据权利要求1所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S1中，第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体与常规光子晶体之间的距离需要确保能够构建线缺陷波导。
4.根据权利要求1所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S1中，第一磁光光子晶体和第二磁光光子晶体由半径为r1＝0.13a1的钇铁石榴石铁氧体YIG棒构成；常规光子晶体由半径为r2＝0.12a2的Al2O3介质棒构成；第一磁光光子晶体、第二磁光光子晶体和常规光子晶体具有相同的晶格常数，即a1＝a2＝a＝3.87cm，背景为空气。
5.根据权利要求4所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S1中，上行波导和下行波导单向波导的宽度设置为wd1＝wd2＝1.0a。
6.根据权利要求5所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S2中，所述正六边形磁光光子晶体环形谐振腔是利用7个半径为a1的YIG棒来代替原来位置按三角晶格排列的Al2O3棒并移除周围一圈Al2O3棒而构成的；
正六边形磁光光子晶体环形谐振腔靠近单向波导的两侧的第一磁光微腔A和第二磁光微腔B，分别利用一个半径为r3＝0.28a的YIG棒代替原Al2O3棒构成；
引入的第一磁光微腔A、第二磁光微腔B和正六边形磁光光子晶体环形谐振腔发生耦合作用能够抑制其他谐振模式而得到唯一的共振模式。
7.根据权利要求1所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，对所有的磁光光子晶体都施加直流偏置磁场H0＝1600G。
8.根据权利要求7所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S3中，将处于谐振频率的脉冲信号从上行波导的一个端口入射，通过依次对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加直流偏置磁场H0，谐振光信号将先进入正六边形磁光光子晶体环形谐振腔，再下降到下行波导完成滤波输出，从而通过对第一磁光微腔A和第二磁光微腔B施加或去除磁场来充当磁控开关操纵滤波器的耦合条件。
9.根据权利要求1所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S4中，改变激发源的位置，或改变第一磁光光子晶体或第二磁光光子晶体的磁场方向，让谐振光信号从上行波导进行下降或者从下行波导进行上传到不同端口完成输入和输出，绘制各端口的归一化透射谱，从而实现单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器任意端口的上传和下载功能。
10.根据权利要求1～9任一项所述的单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的构建方法，其特征在于，在步骤S5中，分别引入不同类型的波导和谐振腔缺陷，观察脉冲信号在规避和抵抗波导缺陷的电场分布情况，探究单向可调控的磁光光子晶体环形谐振腔滤波器的传输鲁棒性，探究过程中需要避免过多的引入谐振腔缺陷而导致能量损耗和谐振频率突变。
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