磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的制作方法

本发明涉及一种磁光材料、磁表面波和光二极管，具体涉及一种磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管。
背景技术：
：光二极管和隔离器是一种只允许光往一个方向传播的光学器件，应用于阻止不必要的光反馈。传统的光二极管和隔离器的主元件是法拉第旋光器，应用了法拉第效应(磁光效应)作为其工作原理。传统的法拉第隔离器由三起偏器，法拉第旋光器和检偏器组成，这种器件结构复杂，通常被应用在自由空间的光系统中。对于集成光路，光纤或波导等集成光器件都是非偏振维持系统，会导致偏振角的损耗，因而不适用法拉第隔离器。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单有效、光传输效率高、体积小，便于集成的磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管。本发明的目的通过下述技术方案予以实现：本发明磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管包括一个光输入端口、一个光输出端口、两个磁光材料层、一个介质层和两个偏置磁场；所述光二极管和隔离器由两个磁光材料层和介质层构成；所述光二极管和隔离器的左端为光输入端口或光输出端口，其右端为光输出端口或光输入端口；所述两个磁光材料层间的空隙为介质层；所述磁光材料层与介质层的表面处为磁表面快波；所述两个磁光材料层处分别设置方向相反的偏置磁场，且方向可控；所述磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成。所述光二极管由磁光材料层和介质层构成三层结构光波导。所述三层结构波导为TE工作模式波导。所述三层结构为直波导结构。所述磁光材料为磁光玻璃、各种稀土元素掺杂的石榴石或者稀土-过渡金属合金薄膜材料。所述介质层为工作波透明的材料。所述介质层为真空、空气、玻璃、二氧化硅或工作波透明的塑料。所述偏置磁场由电磁铁产生或者由永久磁铁提供，电磁铁的电流为方向可控电流，永久磁铁能旋转。本发明适合应用于大规模光路集成，具有广泛的应用前景。它与现有技术相比，具有如下积极效果。1.结构简单、便于实现。2.光传输效率高。3.体积小，便于集成。附图说明图1为磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的结构图。图1(a)：光输入端口1光输出端口2第一磁光材料层3第二磁光材料层4介质层5偏置磁场⊙H0(外)偏置磁场介质层厚度w图1(b)：光输出端口1光输入端口2第一磁光材料层3第二磁光材料层4介质层5偏置磁场偏置磁场⊙H0(外)介质层厚度w图2为磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的向右单向导通工作原理图。图3为磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的向左单向导通工作原理图。图4为磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的正反向传输效率随光波频率变化的第一种实施例曲线图。图5为磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的正反向传输效率随光波频率变化的第二种实施例曲线图。图6为磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的正反向传输效率随光波频率变化的第三种实施例曲线图。具体实施方式如图1所示，本发明磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管包括一个光输入端口1、一个光输出端口2、第一磁光材料层3、第二磁光材料层4、一个介质层5和两个偏置静磁场；光二极管和隔离器由第一磁光材料层3、第一磁光材料层4和介质层5构成；磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成；由第一磁光材料层3、第二磁光材料层4和介质层5构成三层结构光波导，可单向传输光信号，即为光二极管，三层结构为直波导结构，本发明波导为TE工作模式波导。第一磁光材料层3和第二磁光材料层4间的空隙为介质层5，介质层5是光能量主要集中的区域，介质层5可以采用工作波透明的材料，也可以采用真空、空气、玻璃、二氧化硅或工作波透明的塑料，最好采用空气或者玻璃。第一磁光材料层3和第二磁光材料层4与介质层5的表面处为磁表面快波；磁光材料为磁光玻璃、各种稀土元素掺杂的石榴石或者稀土-过渡金属合金薄膜材料；第一磁光材料层3和第二磁光材料层4磁光材料层处分别设置方向相反可控的偏置磁场,即偏置磁场⊙H0(外)和偏置磁场，外加磁场H0由电流方向可控的电磁铁产生或者由能旋转的永久磁铁提供，所以可以控制电流方向来改变光二极管的导通方向，或者通过旋转永久磁体来改变。第一磁光材料层3和第二磁光材料层4处于相反方向的偏置磁场H0作用下，调节磁光材料层3外加垂直于纸面向外的静磁场H0，而磁光材料层4外加垂直于纸面向里的静磁场H0时，光二极管和隔离器的端口1为光输入端口，端口2为光输出端口；反之，调节第一磁光材料层3外加垂直于纸面向里的静磁场H0，而第二磁光材料层4外加垂直于纸面向外的静磁场H0时，光二极管和隔离器的端口2为光输入端口，端口1为光输出端口。磁光材料-介质界面所产生的磁表面波是一种类似于金属表面等离子激元(SPP)的现象。磁光材料在偏置磁场的作用下，磁导率为张量形式，同时，在一定的光波段范围内，其有效折射率为负值。因而，磁光材料的表面能够产生一种导波，且具有单向传播的性能，称为磁表面波(表面磁极化子波，SMP)。本发明一种磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管，具有磁光材料-介质-磁光材料的三层结构，利用磁光材料-介质界面产生的磁表面快波来进行光的单向传输，利用电流方向可控的电磁铁来控制光二极管的导通方向。本发明技术方案是基于磁光材料所具有的光非互易性和磁光材料-介质界面所具有独特的可传导表面波特性，实现光二极管和隔离器的设计。该技术方案的基本原理如下：磁光材料是一种具有磁各向异性的材料，由外加磁场导致磁光材料内部的磁偶极子按同一方向排列，进而产生磁偶极矩。磁偶极矩将和光信号发生强烈的相互作用，进而产生光的非互易性传输。在方向为垂直纸面向外的偏置磁场H0的作用下，磁光材料的磁导率张量为：[μ1]=μriμκ0-iμκμr000μ0,---(1)]]>磁导率张量的矩阵元由以下方程组给出：μr=μ0(1+ωm(ω0-iαω)(ω0-iαω)2-ω2),μκ=μ0ωmω(ω0-iαω)2-ω2,ω0=μ0γH0,ωm=μ0γMs,---(2)]]>其中，μ0为真空中的磁导率，γ为旋磁比，H0为外加磁场，Ms为饱和磁化强度，ω为工作频率，α为损耗系数。若改变偏置磁场的方向为垂直纸面向里，则H0和Ms将改变符号。磁光材料-介质界面所产生的磁表面波则可以根据磁光材料的磁导率张量和麦克斯韦方程组求解得出。满足表面波(为TE波)在界面存在的电场和磁场应当有如下的形式：Ei=exi00ei(kzz+kyiy-ωt),Hi=0hyihziei(kzz+kyiy-ωt)---(3)]]>其中i＝1代表磁光材料区域，i＝2代表介质区域。代入麦克斯韦方程组：▿×Ei=-j∂Exi∂z-k∂Exi∂y=-∂Bi∂t,▿×Hi=-∂Di∂t,---(4)]]>再根据本构关系式和边界条件，可得出关于磁表面波的波矢kz的超越方程：μeμ0ω2μ0ϵ0-kz2+ω2μeϵ1-kz2-jμkμrkz=0,---(5)]]>其中，为磁光材料的有效磁导率。此超越方程可以由数值解法求解，最终得到kz的值。也可从方程看出，由于方程包含μκkz的项，所以，磁表面波具有非互易性(单向传播)。而从方程的解可以得出，当改变磁场为反向时，光二极管的导通方向也变为相反方向。可见，若采用磁光材料-介质-磁光材料的三层结构，并在第一磁光材料层3和第二磁光材料层4处加入相反方向的磁场，而且由电流控制电磁铁磁场方向，那么将构成有效的方向可控光二极管。如图2所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，介质层为空气(n0＝1)，偏置磁场大小为900Oe，介质层5的厚度w＝5mm，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε1，ε2和磁导率[μ1]，μ2所决定，工作频率为f＝6GHz，YIG材料损耗系数α＝3×10-4。第一磁光材料层3处的磁场方向垂直纸面向外，而第二磁光材料层4处的磁场方向垂直纸面向里时，当光从端口1输入时，将同时在两个磁光材料-介质界面产生单向正向传输的磁表面波，最后从端口2输出，即方向可控光二极管的向右单向导通；当光从端口2输入时，由于磁表面波的非互易性导致光波不能够在器件里面反向传输，从而无法从端口1输出，光能量已全部在端口2处被阻挡。光二极管的导通方向由外加磁场的方向所决定，当同时改变第一磁光材料层3和第二磁光材料层4所加入的磁场方向时，如图3所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，介质层为空气(n0＝1)，偏置磁场大小为900Oe，介质层5的厚度w＝5mm，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε1，ε2和磁导率[μ1]，μ2所决定，工作频率为f＝6GHz，YIG材料损耗系数α＝3×10-4。第一磁光材料层3处的磁场为垂直纸面向里，而第二磁光材料层4处的磁场为垂直纸面向外，二极管的导通方向是相反的。当光波从端口1输入时，由于器件的非互易性导致其内部无法传播反向的光波，端口2没有任何光输出，光能量已全部在端口1处被阻挡；当光波从端口2输入时，能够在器件内部产生磁表面波，继而从端口1输出，即方向可控光二极管的向左单向导通。本发明器件的磁光材料空隙波导方向可控光二极管具有磁光材料-介质-磁光材料的三层结构特征，整个器件为平直结构，第一磁光材料层、第二磁光材料层的尺寸和介质层5的厚度w可灵活地根据工作波长和实际需求选择。改变尺寸对器件性能没有大的影响。下面结合附图给出三个实施例，在实施例中采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，偏置磁场由电流方向可控的电磁铁产生，大小为900Oe，方向将决定二极管的导通方向，介质层5的厚度w，YIG材料损耗系数α＝3×10-4，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε1，ε2和磁导率[μ1]，μ2所决定。实施例1参照图1(a)和(b)，由磁光材料空隙波导构成磁表面快波方向可控光二极管，介质层5为空气(n0＝1)，其厚度w＝5mm。在工作频段内，通过电磁铁电流控制3处的磁场方向垂直纸面向外，4处的磁场方向垂直纸面向里，光二极管将从端口”到端口2导通；相反，控制3处磁场方向垂直纸面向里，4处的磁场方向垂直纸面向外，光二极管将从端口2到端口1导通。此两种情况的正反向传输效率相同。参照图4，直波导结构的光二极管和隔离器的工作频率范围是5.02GHz～7.36GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，光二极管和隔离器最高达到正反向传输隔离度为35.3991dB，正向传输插入损耗为0.0016dB。实施例2参照图1(a)和(b)，由磁光材料空隙波导构成磁表面快波方向可控光二极管，介质层5为空气(n0＝1)，其厚度w＝7mm。在工作频段内，通过电磁铁电流控制第一磁光材料层3处的磁场方向垂直纸面向外，第二磁光材料层4处的磁场方向垂直纸面向里，光二极管将从端口1到端口2导通；相反，控制第一磁光材料层3处的磁场方向垂直纸面向里，第二磁光材料层4处的磁场方向垂直纸面向外，光二极管将从端口2到端口1导通。此两种情况的正反向传输效率相同。参照图5，直波导结构的光二极管和隔离器的工作频率范围是5.00GHz～7.36GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，光二极管和隔离器最高达到正反向传输隔离度为35.5104dB，正向传输插入损耗为0.0014dB。实施例3参照图1(a)和(b)，由磁光材料空隙波导构成磁表面快波方向可控光二极管，介质层5为玻璃(n0＝1.5)，其厚度w＝5mm。在工作频段内，通过电磁铁电流控制第一磁光材料层3处的磁场方向垂直纸面向外，第二磁光材料层4处的磁场方向垂直纸面向里，光二极管将从端口1到端口2导通；相反，控制第一磁光材料层3处磁场方向垂直纸面向里，第二磁光材料层4处的磁场方向垂直纸面向外，光二极管将从端口2到端口1导通。此两种情况的正反向传输效率相同。参照图6，直波导结构的光二极管和隔离器的工作频率范围是4.94GHz～7.78GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，光二极管和隔离器最高达到正反向传输隔离度为39.9206dB，正向传输插入损耗为0.0007dB。由图4、图5和图6不同参数的磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管的传输效率曲线图可以得到磁光材料空隙波导所传输磁表面快波的光频率范围，即方向可控光二极管的工作频率范围。从结果可知，本发明磁光材料空隙波导磁表面快波方向可控光二极管是能够有效工作的。以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。当前第1页1 2 3