CN203688932U

CN203688932U - 一种二维光子晶体分束器

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Publication number: CN203688932U
Application number: CN201420033373.4U
Authority: CN
Inventors: 孙华; 黄志芳; 韩琴
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2024-01-20

Abstract

本实用新型涉及一种二维光子晶体分束器，它由磁光介质圆柱构成正方晶格磁光光子晶体，磁光介质圆柱的排列呈对称十字架形；十字架的中心具有一个空腔缺陷，空腔缺陷中包含一个非磁光材料的介质圆柱；十字架的四个臂分别为分束器的输入、输出通道，其中，输入通道1个，输出通道1～3个；所述正方晶格磁光光子晶体的晶格常数a为1.45cm，磁光介质圆柱半径r为0.11a。本实用新型通过磁化改变磁畴结构，可在同一分束器中得到不同的输入输出通道，结构简单，灵活可控，同时，还能有效抑制背散射效应，从而更好地实现高效率分束。

Description

一种二维光子晶体分束器

技术领域

本实用新型涉及一种二维光子晶体分束器，采用磁光材料钇铁石榴石（YIG）, 并利用磁光光子晶体的磁畴结构形成输入通道及多个输出通道。

背景技术

光子晶体是一种典型的亚波长人工微结构，其介电常数或磁导率具有与工作波长相当的周期性分布。光子晶体的一个重要特性是光子带隙。当电磁波在光子晶体中传播时，能量处于光子带隙内的光子被禁止在光子晶体中传播，因而光子带隙又被称为光子的“禁带”。

普通的光子晶体中禁带起源于周期性结构，所以可通过对周期性结构的局部破坏，如在光子晶体内部制作线缺陷，或制备光子晶体与其他材料的异质结构，在光子晶体的禁带中引入沿缺陷或光子晶体表面传播的局域模，此即传统光子晶体波导的最常见的制备方法。光子晶体分束器是光子晶体波导的一个重要应用，其实现方式是通过在光子晶体中制备多个相互耦合的波导模，实现输入通道和一个以上的输出通道，从而令输入电磁波功率在多个输出通道内进行分配。最常见的为双通道等功率输出和三通道等功率输出，通常在二维光子晶体中实现。光子晶体分束器将入射电磁波局域在宽度为波长尺度的通道范围内，因而可显著降低此类器件的尺寸。此外，光子晶体分束器还具有频选、结构调控等传统波导不具备的优势，在可见光、毫米波、微波等各个波段的通讯与集成领域内均有广阔的应用前景。

虽然普通的光子晶体分束器具有诸多优势，但在输入、输出波导交接区处通常会形成明显的背散射效应：相当一部分的入射能量被向后散射回输入端，造成功率的严重损耗。如何抑制光子晶体波导模的背散射效应，是实现高效率光子晶体分束器的重要问题。

最近的研究发现，以磁光材料制成的光子晶体中会形成背散射效应完全被抑制的波导模，即“单向波导模”。磁光材料是指具有磁光效应的材料，即光在该材料中的传播特性会随着材料的磁化状态而变化。钇铁石榴石（Y₃Fe₅O₁₂，简称YIG）是一种典型的磁光材料，属石榴石型晶体结构的微波铁氧体。理论与实验均表明，由于磁光材料的非互易特性用YIG圆柱做周期排列形成的光子晶体，在一定的频率下会形成只能沿某个方向传播的局域模，因此理想情况下与传输方向相反的散射会被完全抑制。这意味着，利用YIG光子晶体的局域模单向性可以从根本上解决光子晶体分束时的背散射问题。

YIG光子晶体局域模的单向性来源于其禁带的特殊性。与普通光子晶体禁带相比，YIG光子晶体禁带有两个明显的新特征：首先，其禁带的形成与外加磁场及YIG圆柱的磁化有关。因此可以通过施加不同的磁场及改变YIG圆柱的磁化状态，得到不同的禁带性质，从而进一步影响对应的禁带内局域模的性质。其次，YIG光子晶体在微波阶段会形成一个不依赖于周期性结构布拉格散射的禁带。该禁带起源于YIG圆柱的磁表面等离激元共振（MSPR）效应，光子晶体的结构主要是为各个YIG圆柱间的MSPR发生耦合提供了条件，周期性对它没有明显影响。在该禁带内形成的局域模同样具有优秀的单向性，并且可通过磁场调节其工作频率。

然而，目前的YIG光子晶体分束器设计中，仍然沿用了普通光子晶体波导模的形成方式，即通过对光子晶体的周期性结构的破坏来获得局域模。文献“Highly efficient photonic-crystal splitters based on one-way waveguiding” （ Vol. 30, Issue 1, pp. 173-176 (2013) ）展示了目前的YIG光子晶体分束器中的一种典型结构，采用了光子晶体内部线缺陷和光子晶体异质结构界面两种传统方式形成分束器的输入通道和输出通道。通道旁的YIG光子晶体区域被施加以特定的磁化方向来抑制通道中的背散射效应。参见附图1，它是一种YIG光子晶体分束器结构及其中的电场分布示意图，图中，向上通道由YIG光子晶体中的线缺陷形成，向左向右两个输出通道由YIG光子晶体与Al光子晶体的界面形成。

显然，目前的YIG光子晶体分束器设计仍然需要多种缺陷、表面共存的复杂结构，同时还要再加上对光子晶体的磁化分区。这令其在制备上的复杂度甚至高于普通的光子晶体分束器。因此，一个关键问题是，如何在保持背散射效应高度抑制的前提下，尽可能地降低YIG光子晶体分束器的结构复杂度。

事实上，在不具备周期结构的YIG均匀材料中，已经发现在磁畴结构的180度畴壁处，可以生成高度局域于畴壁的单向传导模式。不过，这种均匀材料中的畴壁模生成于YIG体材料的内禀光子禁带中，因而缺乏光子晶体分束器的灵活可调性。在YIG光子晶体中，具有180度畴壁的磁畴结构可以通过对光子晶体中YIG圆柱的分区磁化产生。公开号为CN102707462A的中国发明专利“基于磁光光子晶体的4*4二进制发生器”中，利用了YIG光子晶体的磁化分区形成的单向导光通道实现对入射光的弯折和180度分束，但这些通道生成于由周期性结构的布拉格散射生成的光子禁带中，而非基于YIG特有的磁表面等离激元共振禁带。因此，单纯地依靠磁化分区而不破坏晶体的周期性结构，令这些通道中形成的传导模并非真正的局域畴壁模，通道中传输的电磁波产生明显向体内渗透的现象。这种不良的局域性意味着此发明中提出的光子晶体波导及分束虽然简化了结构，但是其单向程度下降，导致背散射抑制效率降低。因而其分束效果虽可应用于二进制发生器，但并不利于制成高效率多通道的光子晶体分束器。

综上所述，一个需要解决的重要技术问题是：如何在YIG光子晶体的磁畴结构中生成具有高度单向性、高度局域性的畴壁模，以及如何利用这些畴壁模的耦合形成背散射得到高度抑制的分束效果。这个问题的解决将令人们不需要制备复杂的缺陷及表面结构，直接在YIG光子晶体中利用磁化手段生成分束器的输入与输出通道。这不仅大大降低了器件的制备复杂度，同时为分束效果提供了更为灵活的控制手段，令YIG光子晶体分束器拥有更好的应用前景。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术中光子晶体分束器存在的结构复杂，可调性差，分束效率不理想等方面存在的不足，提供一种结构简单、灵活可控，能有效抑制背散射效应，提高分束效率的二维光子晶体分束器。

实现本实用新型发明目的的技术方案是提供一种二维光子晶体分束器，它由磁光介质圆柱构成正方晶格磁光光子晶体，磁光介质圆柱的排列呈对称十字架形；十字架的中心具有一个空腔缺陷，空腔缺陷中包含一个非磁光材料的介质圆柱；十字架的四个臂分别为分束器的输入、输出通道，其中，输入通道1个，输出通道1～3个；所述正方晶格磁光光子晶体的晶格常数a 为1.45cm，磁光介质圆柱半径r 为0.11a。

本实用新型所述的正方晶格磁光光子晶体的磁光材料为钇铁石榴石。所述的空腔缺陷面积为3a×3a，a为所述磁光光子晶体的晶格常数。所述的输入或输出通道在与入射或出射电磁波传播方向垂直的方向上排列的磁光介质圆柱为8行。

本实用新型的原理是，在YIG圆柱磁表面等离激元共振频率附近，通过光子晶体结构中YIG圆柱间磁表面等离激元共振间的相互耦合，整个光子晶体对入射波强烈反射，形成狭窄平坦的禁带。由于该禁带并不源于光子晶体的结构周期性，因而可以不引入结构缺陷，直接利用磁畴结构得到高度局域于畴壁的传导模。磁光材料具有的时间反演对称破缺令通道中电磁波的传播具有非互易性，即形成单向畴壁模。

本实用新型提供的二维光子晶体分束器，磁畴结构通过对磁光圆柱沿柱向磁化得到，输入、输出通道均沿畴壁方向并在中心空腔处交汇。通过磁化改变磁畴结构，可以在同一分束器中得到不同的输入输出通道。分束器的工作频率由YIG圆柱的磁表面等离激元共振频率决定。对于单个YIG圆柱，在特定频率与外加磁场下，垂直柱向平面内的磁导率张量的对角元与非对角元之和为（-1）时，该圆柱对TM入射光形成强烈的米散射，即发生表面等离激元共振。该频率可用磁场调节，调节系数为YIG材料的旋磁比。在一般强度的磁场下（100Oe～1000Oe），所述分束器的工作频率为10GHz数量级的微波，工作模式为TM电磁波。

本实用新型提供的二维光子晶体分束器，其中传导模式的形成不依赖于任何结构缺陷，而是利用YIG光子晶体的磁畴结构，得到高度局域于畴壁处的单向模，从而在保证背散射抑制的同时，大大降低结构制备的复杂度。另一方面，电磁波的输入、输出通道完全由磁化后的畴壁位置与形态决定，灵活可控，可通过改变磁畴结构在同一分束器结构中实现单通道波导、双输出端分束、三输出端分束等多种功能。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、在保持高效分束效果的前提下，显著降低了现有YIG光子晶体分束器的制备复杂度。

2、采用磁畴结构生成YIG光子晶体分束器的输入输出通道，可以在同一器件结构中实现不同的分束效果，令器件功能更具灵活可塑性。

3、畴壁模的形成基于YIG光子晶体的MSPR禁带，令分束器的工作频率具有良好的磁场可调性。

4、结构中心的空腔设计可用于调节各畴壁模的耦合程度，从而实现对输出通道功率分配调控。

附图说明

图1是现有技术提供的YIG光子晶体分束器结构及其中的电场分布图；

图2是本实用新型实施例提供的一种YIG光子晶体分束器的结构示意图；

图3 是本实用新型中采用的YIG光子晶体中单向性畴壁模形成的原理图；

图4是计算得到的本实用新型中采用的YIG光子晶体中的畴壁模的单向性随入射频率与磁场变化的曲线图；

图5是本实用新型实例提供的具有1*3通道的YIG光子晶体分束器的磁畴结构示意图及采用有限元仿真得到的分束效果图；

图6是计算得到的图5中分束功率比随分束器中心介质圆柱尺寸r0与折射率n的变化曲线图；

图7是本实用新型实施例提供的具有1*2通道的YIG光子晶体分束器的磁畴结构示意图及采用有限元仿真得到的分束效果图；

图8 是本实用新型实施例提供的具有单输出通道的YIG光子晶体分束器的磁畴结构示意图及采用有限元仿真得到的分束效果图。

具体实施方案

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

实施例1

参见附图2，它是本实施例提供的基于畴壁模的YIG光子晶体分束器的结构示意图。其中，构成光子晶体的YIG圆柱排列成正方晶格，晶格常数为a =1.45cm, YIG圆柱半径r = 0.11a。共包含一个输入通道，三个输出通道。为使结构紧凑，每个通道横向(即垂直传播方向)包含8行YIG圆柱，整体构成十字架形。通道交接处为十字架中心，去除其处2*2个YIG圆柱形成空腔，空腔中心添加半径

的折射率为3.195的普通介质圆柱。

本实施例中，磁光光子晶体分束器中采用的磁光材料为钇铁石榴石（YIG）。微波频段下其材料参数为：相对介电常数，相对磁导率满足张量形式（xyz直角坐标中表达式， z为磁化方向）：

其中磁导率对角元与入射光频率及外加磁场的关系为：

磁导率非对角元与入射光频率及外加磁场的关系为：

非对角元前的正、负号取决于磁场沿+z方向还是-z方向。上述磁导率表达式中涉及的参数分别为：

（1）进动频率

，

为YIG材料的电子旋磁比。为外加磁场。

（2）

，

为YIG材料的饱和磁化强度。

（3）

是YIG材料的衰减因子。单个圆柱的磁表面等离激元共振频率满足

。在所述光子晶体中，排列成正方晶格的YIG圆柱之间相互耦合，造成表面等离激元共振频率的展宽和移动。外场

下，所述光子晶体在9.40～9.70 GHz间发生磁表面等离激元共振禁带。

在本实施例中，分束器功能源于YIG光子晶体中多个畴壁模的耦合，畴壁模的单向性是分束器高效率的保证。

参见附图3，它为实施例中采用的YIG光子晶体中单向性畴壁模形成的原理图。a图中虚线为畴壁位置，两侧圆柱分别沿YIG柱向正反磁化，中心处为TM点光源；b图为采用有限元仿真计算得到的电场分布图。独立畴壁模的形成方式如3的a图所示，即通过对图中虚线上下两部分光子晶体区域中的圆柱施加反向磁化，在虚线处形成直线状磁畴壁。图3的b图为采用商业化有限元计算软件Comsol 4.3a RF模块计算得到的电磁波能流分布图，所施加外磁场为

，安置TM点光源位于通道中心，工作频率9.62GHz，落于所述光子晶体的磁表面等离激元共振禁带中。图中计算结果表明，此时形成沿畴壁单向传播的局域模，允许传播的方向由畴壁两侧磁化方向决定。图中所设磁化方向为：畴壁上侧沿+z方向（垂直纸面向外），畴壁下侧沿-z方向（垂直纸面向内）。此磁畴结构下畴壁模的允许传播方向为向右。

图4为计算得到的独立畴壁模在不同磁场下沿畴壁正反两向传播的局域模能流随频率的变化曲线图，插图为令畴壁模具有最佳单向性的工作频率随磁场的变化图，其中S3为向左能流，S1为向右能流。S3的尖锐谷底对应频率即畴壁模单向性最佳的频率。在

, 此谷底对应频率9.62GHz。随着磁场减弱，最佳单向性频率线性下降，下降速度2.2MHz/Oe（参见图4中的插图）。

图5为本实施例技术方案提供的具有三个输出通道的分束器的磁畴结构示意图及采用有限元仿真得到的分束效果图，其中工作频率选取畴壁模最佳单向性频率，外场

。磁畴结构如附图5的a图所示，将组成各通道的磁光介质圆柱共分为六个磁化区域，输入通道一侧为上下对称的两个磁化区域，输出通道一侧为上下对称的四个磁化区域，（图中+、-分别代表沿+z和-z轴磁化），虚线位置为畴壁所在位置，箭头方向为畴壁模可传导方向。光源置于十字架左臂中心处，光源所在畴壁为输入通道，沿十字架上臂、右臂、下臂三个磁畴形成三个输出通道。四个通道在十字架中心空腔处交接。由于结构的上下对称性，上臂与下臂通道的输出功率流总是保持相等，上臂与右臂的功率流在中心的非磁光材料介质圆柱的散射效果下也被调节至相等，从而得到了对输入功率流的三等分效果，其结果如附图5的b图所示。

改变中心空腔内的非磁光材料介质圆柱半径与折射率，可以调节上臂与右臂的功率流比值S3/S2，参见附图6，它是计算得到的图5中分束功率比随分束器中心介质圆柱尺寸r0与折射率n的变化曲线图；图中，r为YIG圆柱的半径，S3/S2为右臂通道与上臂通道的功率流之比；实际应用中最常见的是等功率分束，即S3/S2=1时。计算结果表明，当非磁光材料介质圆柱的半径增大时，可实现三个输出通道等功率分配的介质折射率要求的降低。

本发明提供的分束器，可通过改变分束器中磁畴结构，达到选择不同的输出通道数量的目的。参见附图7，它为本实施例方案中具有二输出通道的分束器的磁畴结构示意图及采用有限元仿真得到的分束效果图；图7中，a图为实现具有两个输出通道分束效果所采用的磁畴结构，将组成各通道的磁光介质圆柱分为四个对称的磁化区域，虚线为畴壁位置，箭头方向为畴壁模可传导方向，TM点光源位于左臂通道中心处；b图为采用有限元仿真计算得到的电场分布图。

图8为本实施例方案中具有单输出通道(波导)的分束器的磁畴结构示图意及采用有限元仿真得到的分束效果图；图8中，a图为实现此分束效果所采用的磁畴结构，将组成各通道的磁光介质圆柱分为上下两个对称的磁化区域，虚线为畴壁位置，箭头方向为畴壁模可传导方向，TM点光源位于左臂通道中心处；b图为采用有限元仿真计算得到的电场分布图。

由附图5、7和8可以看出，本实施例提供的三种通过磁畴结构的变化得到的分束效果，均能强烈地抑制通道交接区对输入功率的背散射效应。仿真结果表明，在三输出通道、双输出通道、单输出通道三种效果下，背散射功率占总输出功率的比值仅有-43dB, -49dB, -53dB，均远低于目前测到的由直接破换周期性结构而形成的YIG光子晶体波导中背散射效应引起的功率损耗（-20dB左右）。说明采用本实用新型提供的畴壁模分束器，可以更好地抑制背散射效应，从而更好地实现高效率分束。

以上三种通过磁畴结构的变化得到的分束效果中均显示出各个通道中的电磁波能量均被局域在磁畴壁附近一个晶格常数的范围内，比目前的由直接破换周期性结构而形成的YIG光子晶体波导模的局域范围（通常为几个晶格常数，如附图1所示）更小，说明采用本实用新型提供的畴壁模分束器，更有利于器件尺寸的缩小与结构的紧凑化。

Claims

1.一种二维光子晶体分束器，其特征在于：它由磁光介质圆柱构成正方晶格磁光光子晶体，磁光介质圆柱的排列呈对称十字架形；十字架的中心具有一个空腔缺陷，空腔缺陷中包含一个非磁光材料的介质圆柱；十字架的四个臂分别为分束器的输入、输出通道，其中，输入通道1个，输出通道1～3个；所述正方晶格磁光光子晶体的晶格常数a 为1.45cm，磁光介质圆柱半径r 为0.11a。

2.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体分束器，其特征在于：所述的空腔缺陷面积为3a×3a，a为所述磁光光子晶体的晶格常数。

3.根据权利要求1所述的一种二维光子晶体分束器，其特征在于：所述的输入或输出通道，在与入射或出射电磁波传播方向垂直的方向上，排列的磁光介质圆柱为8行。