基于光子晶体十字波导的双路反相光学时钟信号发生器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及双路反相光学时钟信号发生器，尤其涉及一种光子晶体十字波导双路 反相光学时钟信号发生器。
【背景技术】
[0002] 传统的占空比可调及互为逻辑非的双路光学时钟信号发生器应用的是几何光学 原理，因此体积都比较大，无法用于光路集成中。磁光材料与新型光子晶体的结合导致提出 了许多光子器件，其最主要的性质是电磁波在偏置磁场下表现出的旋磁非互易性，使磁性 光子晶体不仅具有旋光特性，还有着更大的传输带宽和更高的传播效率。以光子晶体为基 础可以制作微小的器件，包括双路反相光学时钟信号发生器。双路反相光学时钟信号发生 器的光子晶体波导光路一般在光子晶体中引入线缺陷来构建。光学时钟是光通信、光学逻 辑器件、光学信息处理系统、光学计算的重要部件，具有广泛应用价值，紧凑型光学时钟发 生器是集成广利芯片的重要部件。
【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双路反相光学时钟信号发生器。
[0004] 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双路反相光学时钟信号发生器，包括一个具有TE禁 带的光子晶体十字波导;所述发生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,所述发生器还包括一个提供偏置磁场的电 磁铁(8)和一个矩形波电流源（10);所述光子晶体十字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光，再从端口 2和端口 4输出两路相位相反的光学时钟信号。
[0006] 所述发生器进一步包括导线9;所述电磁铁8的一端与个矩形波电流源10的一端相 连接;所述电磁铁8的另一端通过导线9与矩形波电流源10的另一端相连接，该电磁铁8提供 的偏置磁场的方向随时间做周期变化。
[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T型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T型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。
[0011] 所述背景硅介质柱5的形状为正方形。
[0012]所述正方形娃介质柱以介质柱轴线z轴方向逆时针旋转41度。
[0013] 所述等腰直角三角形缺陷介质柱6为三角柱型。
[0014] 所述缺陷介质柱7为铁氧体方柱，其形状为正方形，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。
[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，可以短程高效地实现TE光双路反相光学时钟信号发生器，，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 现不同波长双路反相时钟信号的产生。
[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是本发明的光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的一种结构示意 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是本发明的光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的另一种结构示 意图。
[0023]图中：电磁铁8导线9矩形波电流源10
[0024] 图3是本发明的光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的结构参数分布 图。
[0025] 图4是本发明光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的光学时钟信号波 形图。
[0026] 图5是实施例1中光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的禁带频率的 逻辑对比度图。
[0027]图6是实施例2中光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器禁带频率的逻 辑对比度图。
[0028] 图7是实施例3中光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器禁带频率的逻 辑对比度图。
[0029] 图8是本发明光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的光场分布示意 图。
【具体实施方式】
[0030] 如图1所示，本发明光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的结构示意 图（删除偏置电路和偏置线圈），包括一个具有TE禁带的光子晶体十字波导，该发生器还包 括一个输入端1，三个输出端2、3、4,背景娃介质柱5,等腰直角三角形缺陷介质柱6和方形缺 陷介质柱7;本器件初始信号光从左方端口 1入射，端口 2输出光波，端口 3和端口 4隔离光波； 光子晶体十字波导的左端为输入端1，端口 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TE光，再从端口 2和端口 4输出两路相位相反的光学时钟信 号；背景硅介质柱5形状为正方形，光轴方向垂直纸面向外，等腰直角三角形缺陷介质柱6 为，T型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，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，其形状为正方形，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；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，本发明的明光子晶体十字波导双路反相光学时钟信号发生器的结构 示意图（含有偏置电路和偏置线圈），该发生器包括一个提供偏置磁场的电磁铁8(电磁铁线 圈）和一个矩形波电流源（10);发生器还包括导线9,电磁铁8的一端与个矩形波电流源10的 一端相连接，电磁铁8的另一端通过导线9与矩形波电流源10的另一端相连接，该电磁铁8提 供偏置磁场的方向随时间做周期变化。本发明的发生器如图1与图2所示采用笛卡尔直角坐 标系：χ轴正方向为水平向右;y轴正方向为在纸面内竖直向上；z轴正方向为垂直于纸面向 外 。
[0031]如图3所示，本器件的相关参数为：
[0032] di = a(晶格常数）
[0033] d2 = 0.3a(正方形硅柱边长）
[0034] d3 = 0.2817a(正方形缺陷介质柱边长）
[0035] d4=0.3a(等腰直角三角形缺陷柱腰长）
[0036] d5=l .2997a(等腰直角三角形缺陷柱斜边到方形缺陷柱中心的距离）
[0037] d6=l.577a(波导宽长）
[0038]本发明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。
[0039] 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导波波导。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十字交叉处引入一个铁氧体方柱 (正方形缺陷柱7)，其边长为0.28a，4个等腰直角三角形缺陷介质柱5斜边面分别到铁氧体 柱(正方形缺陷介质柱6)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。
[0040] 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 体十字波导双路反相光学时钟信号发生器。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：
[0042]磁导率张量的矩阵元中的有关参量由以下式子给出：
[0048] 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。
[0049] 偏置磁场由偏置电磁铁产生，偏置电磁铁中加载有偏置电流，该偏置电流为调制 信号，调制信号为时变周期信号。
[0050] 通过调节偏置磁场Η的大小来确定符合H=Ho时，光从端口 4输出，H=-Ho时，光从端 口 2输出。从而实现双路反相光学时钟信号发生器。
[0051] 双路反相光学时钟信号发生器，一般通过以下方法实现:在周期变化偏置磁场下， 利用法拉第旋转效应，使光旋转所需要的角度，由两个端口交替