基于光子晶体t型波导的磁控二选一直角输出光路开关的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁控二选一光路选通开关，尤其涉及一种基于光子晶体技术的磁控二 选一直角输出光路选通开关。
【背景技术】
[0002] 传统的磁控二选一光路选通开关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。以光子晶体为基础的微小的器件，例如磁控 二选一光路选通开关，其光子晶体波导通过引入线缺陷来构建。光开关是光通信和光学计 算的最基本部件，具有广泛应用价值，紧凑型光开关是集成光路芯片的基本单元。
【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 成的光子晶体磁控二选一光路选通开关。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0005] 本发明的基于光子晶体Τ型波导的磁控二选一直角输出光路开关，包括一个具有 ΤΕ禁带的光子晶体Τ型波导;所述光路开关还包括一个输入端1、两个输出端2和3、背景硅介 质柱4、等腰直角三角形缺陷介质柱5和缺陷介质柱6,所述光路开关还包括一个提供偏置磁 场的电磁铁(7);所述光子晶体Τ型波导的左端为输入端1，所述两个输出端2、3分别位于光 子晶体Τ型波导的上端、下端;所述缺陷介质柱6位于Τ型波导中心交叉处;所述4个等腰直角 三角形缺陷介质柱5分别位于Τ型波导交叉的四个拐角处;所述光子晶体波导由端口 1输入 ΤΕ光，输出信号从端口 2或端口 3输出。
[0006] 所述光路开关进一步包括电磁铁线圈7、导线8、极性可控电流源9和电子开关10; 所述电磁铁(7)的另一端通过导线(8)和极性可控电流源(9)的另一端连接;所述极性可控 电流源(9)与电子开关(10)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介质材料和低折射率材料组成;所述高折射率介质材料 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Τ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Τ型波导交叉拐角处的四个背景介质柱4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5为三角柱型。
[0011] 所述背景硅介质柱4的形状为方形。
[0012]所述正方形娃介质柱以介质柱轴线方向ζ轴逆时针旋转41度。
[0013]所述缺陷介质柱6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。
[0014] 所述端口 2与端口 3成直角布局。
[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，开关时间响应快，光传输效率高，适合大规模光路集成；
[0017] (2)可以短程高效地实现TE光信号磁控二选一光路开关，便于集成，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 现不同波长磁控二选一光路选通开关的功能；
[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T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的一种结构 示意图。
[0021] 图中：输入端1输出端2输出端3背景娃介质柱4等腰直角三角形缺陷介质柱5 缺陷介质柱6
[0022] 图2是本发明的基于光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的另一种 结构示意图。
[0023] 图中：电磁铁7导线8极性可控电流源9电子开关10
[0024] 图3是本发明基于光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关结构参数分 布图。
[0025] 图4是本发明基于光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的波形图。
[0026] 图5(a)是实施例1中光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的禁带频 率的开关对比度图。
[0027] 图5(b)是实施例1中光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关禁带频率 隔离度图。
[0028] 图6(a)是实施例2中光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的禁带频 率的开关对比度图。
[0029] 图6(b)是实施例2中光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关禁带频率 的隔离度图。
[0030] 图7(a)是实施例3中光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的禁带频 率的开关对比度图。
[0031] 图7(b)是实施例3中光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关禁带频率 的隔离度图。
[0032] 图8是本发明的基于光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的光场分 布示意图。
【具体实施方式】
[0033] 如图1所不，本发明基于光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的结构 示意图（删除了偏置电路和偏置线圈），包括一个具有TE禁带的光子晶体T型波导，该光路开 关还包括一个输入端1、两个输出端2和3、背景硅介质柱4、等腰直角三角形缺陷介质柱5和 缺陷介质柱6;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隔离光波;光子 晶体T型波导的左端为输入端，端口 2和端口 3分别位于光子晶体T型波导的右端和上端，端 口 2和端口 3成直角布局，光子晶体波导由端口 1输入TE光，输出信号从端口 2或端口 3输出， 即端口 1选择与端口2、3相连接。背景硅介质柱4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5为，T型波导交叉拐角处的四个背景介质柱4分别删除一个角以形 成等腰直角三角形缺陷介质柱，为三角柱型，4个等腰直角三角形缺陷介质柱5分别位于T型 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6位于T型波导中心交叉 处，缺陷介质柱6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 所不，本发明基于光子晶体T型波导的磁控二选一直角输出光路开关的结构不意图（含有偏 置电路和偏置线圈），光路开关包括一个提供偏置磁场的电磁铁7(电磁铁线圈），该电磁铁7 的另一端与极性可控电流源9的另一端相连接，光路开关还包括导线8、极性可控电流源9和 电子开关10;电磁铁7的一端通过导线8和极性可控电流源9的一端连接;极性可控电流源9 与电子开关10连接。本发明光路开关的一种结构示意图采用笛卡尔直角坐标系:x轴正方向 为水平向右;y轴正方向为在纸面内竖直向上;z轴正方向为垂直于纸面向外。
[0034]如图3所示，本器件的相关参数为：
[0035] di = a(晶格常数）
[0036] d2 = 0.3a(方形娃柱边长）
[0037] d3 = 0.2817a(方形缺陷柱边长）
[0038] d4=0.3a(等腰直角三角形缺陷柱腰长）
[0039] 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）
[0040] d6= 1.577a(波导宽长）
[0041]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。
[0042]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。通过在上述光子晶体T型波导中心交叉处引入一个铁 氧体方柱(方形缺陷柱6)，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(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。
[0043]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T型波导的磁控二选一直角输出光路选通开关。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：
[0045]磁导率张量的矩阵元由以下式子给出：
[0051] 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。
[0052] 偏置磁场由偏置电磁铁产生，偏置电磁铁中加载偏置电流，该偏置电流为控信号， 偏置电流为正(负)值，一个光路处于选通(关闭），另一个光路处于关闭(选通）。
[0053]通过调节偏置磁场Η的大小来确定符合H=Ho时，光从端口 3输出，H=-Ho时，光从端 口 2输出。从而实现磁控二选一光路选通开关。