CN204882937U - 一种基于多原子光子晶体的光隔离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板内设有线形的第一分支波导和第二分支波导，所述第一分支波导的外端连接有输入波导，所述第二分支波导的外端连接有输出波导，所述第一分支波导的内端与第二分支波导的内端相连接，且所述第一分支波导的传输类型为偶模传输，第二分支波导的传输类型为奇模传输。本实用新型提出的光隔离装置结构简单、性能稳定、易于集成、操作方法简单，可以应用在各种需要光隔离的场景中。

Description

一种基于多原子光子晶体的光隔离装置

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种基于多原子光子晶体的光隔离装置。

背景技术

光子晶体是近年来受到科学界持续关注的一种人工电磁材料。类似于固态电子晶体，光子晶体中光子的色散关系也呈现出带状结构，带与带之间形成光子带隙，我们称之为光子能带结构，简称能带结构。如果在光子晶体中引入缺陷,则会在光子带隙中引入缺陷态，由此而产生出许多器件方面的应用。单原子光子晶体是指在初基元胞内只有一个散射子，多原子光子晶体是指在初基元胞内存在多个散射子并且在位置、形状和折射率等参数上存在差异。相较于单原子光子晶体，由于具有更高的拓扑自由度，多原子光子晶体是一个具有更丰富内涵的物理体系。目前，大量的研究工作主要集中在如何利用单原子光子晶体制作性能优良的光电子器件。对多原子光子晶体光学性质及相关器件的研究报导很少，尤其是对其光隔离器件的研究更为少见。

光隔离器是一种光单向传输器件，它的工作原理是基于光传播过程的非互易性，也就是说当电磁波沿着某个特定方向传播时具有极低的插入损耗，而沿着特定方向的反方向传输时却有巨大的衰减或者被反射，具有不可逆性，因此，这是一种只允许光波单向传输的无源器件。在光子集成回路中光隔离器的作用与电路中的二极管类似，因此有“光路中的二级管”之称。利用光隔离器可以消除反射光对光源等器件的不良影响，提高光路系统传输的稳定性，是全光通信中的关键器件。目前国内外都在发展高速、小型化的光信息传输系统，所以光隔离器的用途将会更加广阔，与此同时对光隔离器的性能要求也将更为严格。作为光子集成回路中的“二极管”，光隔离器已成为高质量光路系统中必不可少的器件。光隔离的实现有多种方法，但目前商用的光隔离器主要以磁光隔离器为主。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，该光隔离装置具有更高的拓扑自由度且性能稳定、易于集成。

为此，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板内设有线形的第一分支波导和第二分支波导，所述第一分支波导的外端连接有输入波导，所述第二分支波导的外端连接有输出波导，所述第一分支波导的内端与第二分支波导的内端相连接，且所述第一分支波导的传输类型为偶模传输，第二分支波导的传输类型为奇模传输。

进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导相互平行或共线。

进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导相互垂直。

进一步地，所述光子晶体平板包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔和小空气孔形成的空气孔阵列，其中相邻的一个大空气孔和一个小空气孔构成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有多个散射子。

进一步地，所述初基元胞内填充有两个散射子。

进一步地，所述光子晶体平板的晶格结构为双原子正方晶格。

进一步地，所述大空气孔的半径为0.32a，小空气孔的半径为0.20a，其中a为光子晶体晶格常数。

进一步地，所述输入波导和输出波导是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数。

图4是利用平面波展开法计算出的两种不同传输类型的分支波导的色散关系，其中实线代表传输类型为奇模传输的第二分支波导，虚线代表传输类型为偶模传输的第一分支波导，从图中可以看到，在空气线以下，这两种波导有一个共同的交点，该交点对应的归一化频率为0.3099，在本实用新型中我们把这个交点选取为工作点。

本实用新型的有益效果在于：

（1）采用多原子光子晶体，由于初基元胞中包含多个散射子，所以，与单原子光子晶体相比较，多原子光子晶体具有更高的拓扑自由度。利用多原子光子晶体的特性，可以形成不同的线缺陷波导，设计出符合要求的光隔离装置，而且还可以通过调整不同散射子的位置、形状和折射率来优化光隔离装置的性能，也可以改变晶格结构来优化隔离装置的性能。

（2）本实用新型中光隔离装置的核心部件由传输类型不同的分支波导直接连接在一起，不需要特殊设计模式转换模块。隔离装置的工作频率主要是由两种分支波导色散曲线的交点决定，当隔离装置的大小尺寸发生变化时，中心工作频率基本不变。而且该光隔离装置使用的全是普通介质材料，没有用到磁性材料，因此不需要专门设计制造工艺，工作时也不需要专门设置外加磁场。

（3）本实用新型提出的光隔离装置结构简单、性能稳定、易于集成、操作方法简单，可以应用在各种需要光隔离的场景中。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为图1的A部局部放大图；

图3为本实用新型实施例2的结构示意图；

图4为本实用新型两种不同传输类型分支波导的色散关系图谱；

图5为实施例1正向传输时的场强分布图；

图6为实施例1反向传输时的场强分布图；

图7为实施例2正向传输时的场强分布图；

图8为实施例2反向传输时的场强分布图；

图中，1-光子晶体平板，2-输入波导，3-输出波导，4-第一分支波导，5-第二分支波导，6-大气孔，7-小气孔。

具体实施方式

实施例1

如图1-2所示，一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，包括光子晶体平板1，光子晶体平板1内设有线形的第一分支波导4和第二分支波导5，且第一分支波导4和第二分支波导5相互平行，第一分支波导4的外端与输入波导2相连接，第二分支波导5的外端与输出波导3相连接，第一分支波导4的内端与第二分支波导5的内端相连接，且第一分支波导4的传输类型为偶模传输，第二分支波导5的传输类型为奇模传输；输入波导2和输出波导3是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数。

光子晶体平板1包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔6和小空气孔7形成的空气孔阵列，其中，大空气孔6的半径为0.32a，小空气孔7的半径为0.20a，a为光子晶体晶格常数，相邻的一个大空气孔和一个小空气孔构成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有两个散射子，光子晶体平板1的晶格结构为双原子正方晶格。

使用时，将整个光子晶体平板1装入试剂盒中，利用光纤将输入波导2和输出波导3分别与光源和光谱仪进行耦合。然后将生化物质注入试剂盒中，使生化物质填充到光子晶体平板1的各个空气孔中，光脉冲由输入波导2引入，在与光子晶体平板1上第一分支波导4和第二分支波导5上的生化物质相互作用后由输出波导3引出，注入光谱仪后分析频率偏移量。本实施例中，由于第一分支波导4和第二分支波导5相互平行，所以利用实施例1光隔离装置可实现水平方向的光隔离。由图5和6可以看到，实施例1光隔离装置在光信号正向传输时能使光信号顺利通过，而反向传输时能起到很好的隔离功能。

实施例2

如图3所示的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其与实施例1的不同之处在于，第一分支波导4和第二分支波导5相互垂直，其他同实施例1。实施例2的使用方法同实施例1。由图7和8可以看到，实施例2光隔离装置在光信号正向传输时同样能使光信号顺利通过，而反向传输时能起到很好的隔离功能。

Claims (8)

1.一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板内设有线形的第一分支波导和第二分支波导，所述第一分支波导的外端连接有输入波导，所述第二分支波导的外端连接有输出波导，所述第一分支波导的内端与第二分支波导的内端相连接，且所述第一分支波导的传输类型为偶模传输，第二分支波导的传输类型为奇模传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述第一分支波导和第二分支波导相互平行或共线。

3.根据权利要求1所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述第一分支波导和第二分支波导相互垂直。

4.根据权利要求1所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述光子晶体平板包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔和小空气孔形成的空气孔阵列，其中相邻的一个大空气孔和一个小空气孔构成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有多个散射子。

5.根据权利要求4所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述初基元胞内填充有两个散射子。

6.根据权利要求5所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述光子晶体平板的晶格结构为双原子正方晶格。

7.根据权利要求5所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述大空气孔的半径为0.32a，小空气孔的半径为0.20a，其中a为光子晶体晶格常数。

8.根据权利要求7所述的一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，其特征在于，所述输入波导和输出波导是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数。