无泄漏磁光薄膜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、表面波和光二极管，更具体地说，本发明涉及一种无泄漏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之处，提供一种结构简单有效，光传输效率高，体积小，便于集成的无泄漏磁光薄膜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。

本发明无泄漏磁光材料薄膜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、一个磁光薄膜、背景介质、两个吸波层和一个可控偏置磁场；所述磁光薄膜设置于背景介质中；所述磁光薄膜采用磁光材料；所述光二极管和隔离器由磁光材料和背景介质构成；所述光二极管和隔离器的左端为光输入端口或输出端口，其右端为光输出端口或输入端口；所述磁光材料与背景介质的表面处为磁表面快波；所述磁光薄膜处设置有可控偏置磁场。

所述磁表面快波光二极管由磁光薄膜设置于背景介质中构成。

所述光二极管由磁光薄膜与背景介质的分界面构成光波导可单向传输光信号。

所述磁光薄膜与背景介质的分界面为直波导结构；所述直波导为TE工作模式波导。

所述磁光材料为磁光玻璃或者各种稀土元素掺杂的石榴石和稀土-过渡金属合金薄膜等材料。

所述背景介质材料为工作波透明的材料。

所述背景介质为普通介质材料、空气或玻璃。

所述吸波层为相同或不同的吸波材料；所述吸波材料为聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纤维环氧树脂混合体、石墨热塑性材料混合体、硼纤维环氧树脂混合体、石墨纤维环氧树脂混合体、环氧聚硫、硅橡胶、尿烷、氟弹性体、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳砜或者聚乙烯亚胺。

所述两个吸波层均分别与所述直波导表面的距离为1/4至1/2波长；所述两个吸波层的厚度均分别不小于1/4波长。

所述偏置磁场由电流方向可控电磁铁或永久磁铁产生，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为无泄漏磁光薄膜磁表面快波方向可控光二极管的结构图。

图中1(a)：光输入端1光输出端2磁光薄膜3(磁光材料薄膜)背景介质4第一吸波层5第二吸波层6磁光材料薄膜厚度w吸波层与波导之间的距离w₁

图中1(b)：光输出端1光输入端2磁光薄膜3(磁光材料薄膜)背景介质4第一吸波层5第二吸波层6偏置磁场⊙H₀(外)磁光材料薄膜厚度w吸波层与波导之间的距离w₁

图2为无泄漏磁光薄膜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为无泄漏磁光薄膜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为无泄漏磁光薄膜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为无泄漏磁光薄膜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为无泄漏磁光薄膜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

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的阐述：

如图1所示，本发明无泄漏磁光薄膜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、一个磁光薄膜3、背景介质4、第一吸波层5、第二吸波层6和一个可控偏置磁场H₀，磁表面快波光二极管由磁光材料薄膜3设置于背景介质4中构成，磁光薄膜3采用磁光材料，即磁光材料薄膜，磁光材料薄膜3与背景介质4交界面为光能量主要集中的区域，由磁光材料薄膜3与背景介质4的分界面构成光波导可单向传输光信号，即为光二极管，光二极管和隔离器磁光材料和背景介质4构成。磁光材料为磁光玻璃或者各种稀土元素掺杂的石榴石和稀土-过渡金属合金薄膜等材料；磁光材料薄膜3与背景介质4的分界面为直波导结构，本发明波导为TE工作模式波导；如图1(a)所示光二极管和隔离器的左端为光输入端口1，其右端为光输出端口2；如图1(b)所示光二极管的右端为光输入端口2，其左端为光输出端口1；磁光材料薄膜3与背景介质4的表面处为磁表面快波；背景介质材料可以采用工作波透明的材料，也可以采用普通介质材料、空气或玻璃。磁光材料薄膜3处设置有偏置磁场H₀，即或偏置磁场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，方向为将决定二极管的导通方向，通过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铁来改变。通过电磁铁电流控制磁光材料外加磁场方向垂直纸面向里，光二极管和隔离器的左端为光输入端1，其右端为光输出端2，二极管将从端口1到端口2导通；当外加控制磁场方向垂直纸面向外，二极管的右端为光输入端2，其左端为光输出端1，光二极管将从端口2到端口1导通。第一吸波层5和第二吸波层6为相同或不同的吸波材料，吸波材料为聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纤维环氧树脂混合体、石墨热塑性材料混合体、硼纤维环氧树脂混合体、石墨纤维环氧树脂混合体、环氧聚硫、硅橡胶、尿烷、氟弹性体、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳砜或者聚乙烯亚胺；第一吸波层5和第二吸波层6均分别与波导表面之间的距离w₁为1/4至1/2波长；第一吸波层5和第二吸波层6的厚度均分别不小于1/4波长。

磁光材料与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。磁光材料在偏置静磁场的作用下，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)。

本发为无泄漏磁光材料薄膜波导磁表面快波光二极管，该器件是基于磁光材料所具有的非互易性，结合磁光材料-介质界面能够产生表面波的特性所研究出的具有优异性能的光二极管和隔离器。该器件通过磁光材料提供偏置静磁场，磁光材料薄膜设置于背景介质中和吸波层的组合，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。同时，吸波层吸收无用波，消除光路干扰。

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，由外加静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：

磁导率张量的矩阵元由以下方程组给出：

其中，μ₀为真空中的磁导率，γ为旋磁比，H₀为外加磁场，M_s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M_s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：

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：

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k_z的超越方程：

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k_z的值。也可从方程看出，由于方程包含μ_κk_z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，在磁光材料薄膜3处加入偏置磁场，并且由电流控制电磁铁磁场方向，并使用普通介质材料或、空气或玻璃作为背景材料，那么将构成有效的光二极管。如图2所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，背景介质4为空气(n₀＝1)，磁光薄膜3的偏置磁场大小为900Oe，磁光薄膜3的尺寸长l＝50mm，厚w＝22.5mm，第一吸波层5和第二吸波层6均分别与波导之间的距离为w₁＝5mm，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。磁光材料薄膜3所加的磁场垂直纸面向里，当光波从端口1输入时，在磁光材料与介质界面产生单向正向传输的磁表面波，最后从光波端口2输出，即方向可控二极管向右单向导通；当光波从端口2输入时，由于磁表面波的非互易性导致光波无法在器件内部反向传输，从而无法从输出端口1输出。输出端口1没有任何光波输出，光能量已全部在输入端口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，如图3所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，背景介质4为空气(n₀＝1)，磁光薄膜3的偏置磁场大小为900Oe，偏置磁场方向为垂直纸面向外，磁光薄膜3的尺寸长l＝50mm，其厚度w＝22.5mm，第一吸波层5和第二吸波层6均分别与波导之间的距离为w₁＝5mm，YIG材料损耗系数α＝3×10^-4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。磁场方向垂直纸面向外，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，输出端口2没有任何光波输出，光能量已全部在输出端口1处被阻挡；当光波从端口2输入时，光波能够在器件内部产生磁表面波，继而从输出端口1输出，即方向可控二极管向右单向导通。

本发明无泄漏磁光薄膜磁表面快波光二极管采用磁光材料薄膜设置于背景介质材料中，磁光材料薄膜3的尺寸长度l和厚度w可以灵活地根据实际工作波长和实际需求进行选择。改变尺寸对器件性能无大的影响。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，偏置磁场大小为900Oe，磁场方向为垂直纸面向里，磁光材料薄膜厚度为w，第一吸波层5和第二吸波层6均分别与波导之间的距离为w₁＝5mm，YIG材料损耗系数α＝3×10^-4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)，磁表面快波方向可控光二极管由磁光薄膜3设置于背景介质4中构成，介质4为空气(n₀＝1)，磁光薄膜厚度为w＝5mm。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料外加磁场方向垂直纸面向里，光二极管将从输入端口1到输出端口2导通；相反，控制磁场方向垂直纸面向外，光二极管将从输入端口2到输出端口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5.00GHz～7.41GHz。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29.1dB，正向传输插入损耗为0.0079dB。

实施例2

参照图1，磁表面快波方向可控光二极管由磁光薄膜3设置于背景介质3中构成，介质4为空气(n₀＝1)，磁光薄膜厚度为w＝7mm。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料外加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～7.41GHz。在工作频率范围内，考虑材料损耗，光二极管和隔离器最高能达到正反向传输隔离度为31.0dB，正向传输插入损耗为0.0082dB。

实施例3

参照图1，磁表面快波方向可控光二极管由磁光薄膜3设置于背景介质4中构成，介质4为玻璃(n₀＝1.5)，磁光薄膜厚度为w＝5mm。在工作频段内，通过电磁铁电流控制磁光材料外加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5.00GHz～7.41GHz。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22.1dB，正向传输插入损耗为0.0399dB。

由图4、图5和图6不同参数的磁光薄膜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薄膜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，本发明基于磁光材料薄膜波导的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。