基于光子晶体十字波导的磁光调制器的制造方法

文档序号:9809462阅读:561来源:国知局
基于光子晶体十字波导的磁光调制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种调制器,尤其涉及一种基于光子晶体十字波导的磁光调制器。
【背景技术】
[0002] 传统的光学调制器一般利用晶体的电光效应来实现对光的调制,需要有一个微波 调制信号,一块电光晶体,一个干涉结构,如马赫-曾德干涉结构等。由于电光晶体的电光系 数的限制,需要采用几何尺寸比较长的电光晶体,这样使得光学调制器的体积较大,只能用 在传统光学器件中,无法集成到光学芯片中。光调制器是在整体光通信的光发射、传输、接 收过程中用于控制光强度的关键器件,也是最重要的集成光学器件之一。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的是克服现有技术中的不足,提供一种结构体积小,高效短程便于集 成的光子晶体十字波导的磁光调制器。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0005] 本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器,包括一个具有TE禁带的光子晶体十 字波导;所述调制器还包括一个输入端1、三个输出端2、3、4、背景硅介质柱5、等腰直角三角 形缺陷介质柱6和缺陷介质柱7,所述调制器还包括一个提供偏置磁场的电磁铁8,一个调制 电流源10和一个调制信号11;所述光子晶体T型波导的左端为输入端1;所述输出端2、3、4分 别位于光子晶体十字波导的下端、右端、上端;所述缺陷介质柱7位于十字波导中心交叉处; 所述4个等腰直角三角形缺陷介质柱6分别位于十字波导交叉的四个拐角处;所述光子晶体 波导由端口 1输入TE载波光,再从端口 2、3、4任意端口输出调幅光。
[0006] 所述调制器进一步包括导线911;所述电磁铁8的一端与调制电流源10的负极相连 接;所述电磁铁8的另一端通过导线9与调制电流源10的正极相连接,所述调制电流源10与 调制信号11相连接。
[0007] 所述光子晶体为二维正方晶格光子晶体。
[0008] 所述光子晶体由高折射率材料和低折射率材料组成,所述高折射率材料为硅或折 射率大于2的介质;所述低折射率介质为空气或折射率小于1.4的介质。
[0009] 所述十字波导为光子晶体中移除中间一横排和中间一竖排介质柱后的结构。
[0010] 所述十字波导交叉拐角处的背景介质柱5分别删除一个角以形成等腰直角三角形 缺陷介质柱,该等腰直角三角形缺陷介质柱6为三角柱型。
[0011] 所述背景硅介质柱5的形状为正方形。
[0012] 所述正方形硅介质柱以介质柱轴线z轴方向逆时针旋转41度。
[0013] 所述缺陷介质柱7为铁氧体方柱,其形状为方形,所述的铁氧体方柱的磁导率为各 向异性,且受偏置磁场的控制,偏置磁场方向沿着铁氧体方柱的轴线方向。
[00M] 所述端口 4为调制输出端。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下的优点:
[0016 ] (1)结构体积小,时间响应快,光传输效率高,适合大规模光路集成;
[0017] (2)便于集成而且高效,可以短程地实现TE载波光波信号调制器,具有极大的实用 价值;
[0018] (3)应用光子晶体可等比例缩放的特性,通过等比例改变晶格常数的方法,可以实 现不同波长光子晶体十字波导的磁光调制器的功能;
[0019] (4)高对比度、高隔离度,同时还具有较宽的工作波长范围,可以允许有一定频谱 宽度的脉冲,或高斯光,或不同波长的光工作,或多个波长的光同时工作,具有实用意义。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器的一种结构示意图。
[0021]图中:输入端1输出端2输出端3输出端4背景娃介质柱5等腰直角三角形缺陷 介质柱6缺陷介质柱7
[0022] 图2是本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器的另一种结构示意图。
[0023] 图中:电磁铁8导线9调制电流源10调制彳目号11
[0024] 图3是本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器结构参数分布图。
[0025] 图4是本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器的偏置磁场正弦波形图。
[0026] 图5是本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器在一个周期内随偏置磁场变化 时磁导率μΛ的值的关系图。
[0027] 图6是本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器调制曲线图。
[0028] 图7(a)是实施例1中光子晶体十字波导的磁光调制器调制曲线图。
[0029] 图7(b)是实施例1中光子晶体十字波导的磁光调制器调制灵敏度图。
[0030] 图8(a)是实施例2中光子晶体十字波导的磁光调制器调制曲线图。
[0031]图8(b)是实施例2中光子晶体十字波导的磁光调制器调制灵敏度图。
[0032]图9(a)是实施例3中光子晶体十字波导的磁光调制器调制曲线图。
[0033]图9(b)是实施例3中光子晶体十字波导的磁光调制器调制灵敏度图。
[0034]图10是本发明光子晶体十字波导的磁光调制器的光场分布示意图。
【具体实施方式】
[0035]如图1所示,本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器的结构示意图(删除了偏 置电路和偏置线圈),包括一个具有ΤΕ禁带的光子晶体十字波导,该调制器还包括一个输入 端1、三个输出端2、3、4、背景硅介质柱5、等腰直角三角形缺陷介质柱6和缺陷介质柱7;本器 件中,光子晶体十字波导的左端为输入端1,输出端2、3、4分别位于光子晶体十字波导的下 端、右端、上端;光子晶体波导由端口 1输入ΤΕ载波光,再从端口 2、3、4任意端口输出调幅光; 背景娃介质柱5形状为方形,光轴方向垂直纸面向外,等腰直角三角形缺陷介质柱6为,十字 波导交叉拐角处的背景介质柱5删除一个角以形成等腰直角三角形缺陷介质柱,该等腰直 角三角形缺陷介质柱6为三角柱型,4个等腰直角三角形缺陷介质柱6分别位于十字波导交 叉的四个拐角处,光轴方向与背景介质柱相同,缺陷介质柱7位于十字波导中心交叉处,该 缺陷介质柱7为铁氧体方柱,其形状为方形,光轴方向垂直纸面向外;该铁氧体方柱的磁导 率为各向异性,且受偏置磁场的控制,偏置磁场方向沿着铁氧体方柱的轴线方向。如图2所 示,本发明基于光子晶体十字波导的磁光调制器的结构示意图(含有偏置电路和偏置线 圈),调制器包括一个提供偏置磁场的电磁铁8,一个调制电流源10和一个调制信号11,调制 器还包括导线9;电磁铁8的一端与调制电流源10的负极相连接,电磁铁8的另一端通过导线 9与调制电流源10的正极相连接;调制电流源10与调制信号11相连接。本发明调制器如图1 与图3所示采用笛卡尔直角坐标系:x轴正方向为水平向右;y轴正方向为竖直向上;z轴正方 向为垂直于纸面向外。
[0036]如图3所示,本器件的相关参数为:
[0037] di = a (晶格常数)
[0038] d2 = 0.3a (方形娃柱边长)
[0039] d3 = 0.2217a (正方形缺陷介质柱边长)
[0040] d4=0.3a (等腰直角三角形缺陷柱腰长)
[00411 d5= 1.2997a (等腰直角三角形缺陷柱斜边到方形缺陷柱中心的距离)
[0042] de= 1.577a (波导宽长)
[0043]本发明的光子晶体为正方晶格,晶格常数为a,介质柱边长为0.3a,在光子晶体正 方形硅介质柱参考介质柱轴线方向(z轴)逆时针旋转41度时,采用平面波展开法得到光子 晶体中TE禁带结构,其光子TE禁带为0.3150至0.4548( ω a/23ic),其中间的任何频率的光波 将被限制在波导中,正方晶格介质柱参考介质柱轴线方向(z轴)逆时针旋转41度后,获得了 更大更宽的禁带范围。
[0044]本发明所使用硅介质波导需要删除一行和一列介质柱而形成十字波导。波导平面 垂直于光子晶体中的介质柱的轴线。通过在上述十字波导中心交叉处引入一个铁氧体方柱 (正方形缺陷介质柱7),其边长为0.2217a,4个等腰直角三角形缺陷介质柱6斜边面分别到 铁氧体柱(正方形缺陷介质柱7)轴线的距离为1.2997a。铁氧体方柱的光轴与背景介质柱的 光轴方向一致。
[0045]本发明的原理介绍主要针对磁光介质加以解释。铁氧体是一种磁各向异性的材 料,铁氧体的磁各向异性是由外加直流偏置磁场所诱导的。该磁场使铁氧体中的磁偶极子 循同一方向排列,从而产生合成的磁偶极距,并使磁偶极子在由偏置磁场强度所控制的频 率下做进动。通过调整偏置磁场强度可控制与外加微波信号的相互作用,从而实现光子晶 体十字波导的磁光调制器。在偏置磁场的作用下,铁氧体的磁导率张量表现为非对称性,其 中铁氧体张量磁导率[μ]为:
[0047] 磁导率张量的矩阵元由以下方程给出:
[0048] ω〇 = μ〇γΗο (2)
[0049] 〇m=y〇 yMs (3)
[0050] ω =2π f (4)

[0053] 其中,μ〇为真空中的磁导率,γ为旋磁比,Ho为外加磁场,Ms为饱和磁化强度,为工 作频率,P = k/y为归一化磁化频率,也叫分离因子,参数μ和k决定不同铁氧体材料,具有这 种形式的磁导率张量的材料称为旋磁性的,假定偏置的方向是相反的,则Ho和Ms将改变符 号,所以旋转方向也会相反。
[0054] 偏置磁场由偏置电磁铁产生,偏置电磁铁中加载偏置电流,该偏置电流为调制信 号。
[0055] 通过外加磁场按正弦波形变化来调节偏置磁场Η的大小,引起磁导率的改变,从而 改变端口 2、3、4输出的光的强度,从而实现了对光信号的调制。
[0056] 设偏置磁场H = Ho+H1Sin(
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