基于光子晶体波导的超高效紧凑t字型环行器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，它包括一个具有三个端口的T字型光子晶体波导，所述T字型波导中心放置一个方形磁光介质杆，所述位于交叉波导中心的四个拐角处，分别设置四个方形介质杆切角成为直角边与背景方形介质杆边长相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；所述拐角介质杆与其对应格点位置的左边重合或不重合；所述环行器的插入损耗为0.02dB～1dB，其两端口隔离度大于14dB。本发明结构体积小，集成度高，电磁波传输效率高，便于集成而且高效环行，可广泛应用于微波、太赫兹和光通信波段。
【专利说明】基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三端口 Τ字型环行器领域，尤其涉及一种基于光子晶体技术的Τ字型 环行器。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着光子晶体理论的提出，光子晶体波导被认为是可以高效传输电磁波 的一种媒质。因此，光子晶体波导理论为探索高效率的微波集成电路和集成光路开拓了新 的领域。在微波集成电路和集成光路中，各个组件之间不可避免地会产生各种回波干扰而 影响整个系统的功能。因此，将这些干扰最小化将是优化整个系统的首要任务。
[0003] 自从电磁学诞生以来，环行器以它独特的功能被广泛使用。如当做隔离器使用时， 可以通过屏蔽来自输出端的信号而使信号只能在一个方向上传播；而在雷达技术中，环行 器可以将信号从发射器环行到天线、再从天线环行到接收器，而实现双工器的功能；在反射 放大器中，环行器作为非互易器件可以将放大的输出信号与输入端分离。
[0004] 基于铁氧体或其它磁光介质的光子晶体波导环行器是一种非互易器件，它可以使 波沿单一方向环行传播，而反向传播的波将被导入到另一波导。尽管目前已经设计出来的 基于光子晶体波导的环行器相对于传统的磁光环行器来说，体积小了许多而且具有更好的 性能，然而大部分设计都使用了多根磁光介质柱或耦合介质柱，因而结构还是相对复杂并 且带宽相对较窄。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种便于集成的光子晶体波导的超 高效紧凑Τ字型环行器。
[0006] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0007] 本发明的一种基于光子晶体波导的超高效紧凑Τ字型环行器，包括一个具有三个 端口的Τ字型光子晶体波导，所述Τ字型波导中心放置一个方形磁光介质杆，所述位于交叉 波导中心的四个拐角处，分别设置四个方形介质杆切角成为直角边与背景方形介质杆边长 相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；所述拐角介质杆与其对应格点位置的左边重合 或不重合；所述环行器的插入损耗为〇. 〇2dB?ldB，其两端口隔离度大于14dB。
[0008] 所述光子晶体由高折射率介质杆在低折射率介质背景中周期排列而成，或由低折 射率介质杆在高折射率介质背景中排列而成。
[0009] 所述高折射率介质材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化硅等折射率大于2的介质， 低折射率介质材料为空气、真空、二氧化硅、冰晶石、橄榄油或折射率小于1. 6的介质。
[0010] 所述光子晶体波导的任意输入端输入的波沿顺时针或逆时针环行到相邻的输出 波导端口。
[0011] 所述磁光介质杆为铁氧体或磁光介质材料。
[0012] 所述磁光介质杆的横截面为方形、矩形、圆形、椭圆形、环行、五边形、六边形、任意 多边形、任意闭合曲线形状。
[0013] 所述四个拐角介质杆的横截面为三角形、半圆形、半椭圆形、半多边形、或由一直 边和曲线形成的闭合图形。
[0014] 所述交叉波导的背景介质柱的横截面为三角形、圆形、半圆形、椭圆型、半椭圆形、 多边形、或闭合曲线形状。
[0015] 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由 硅在空气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.3a，归一化频率为 0. 4121、分离因子为0. 7792、磁光介质柱边长为0. 2817a、拐角介质柱中心距为1. 2997a， 所述环行器的插入损耗为〇. 〇2dB，其中a为光子晶体的晶格常数，分离因子为磁光介质的 相对磁导率张量的第1行第2个量的绝对值与第1行第1个元素的值的比值，归一化频率 为c〇a/2 π c，ω为圆频率，c为真空中光速；所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率 介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质 柱半径为〇. 3006a?0. 3045a，归一化频率为（0. 4103?0. 4138)、分离因子为（0. 7712? 0. 7906)、磁光介质柱边长为（0.2801a?0.2815a)、拐角介质柱中心距为（1.3224a? 1. 3365a)或（1. 2807a?1. 3122a)，所述环行器的插入损耗小于0. 05dB ;所述环行器的高 折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气背景周期 排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为〇. 28a?0. 3344a，归一化频率为（0. 4073? 0.4160)、分离因子为（0.7634?0.8056)、磁光介质柱边长为（0.2745a?0.2863a)、拐 角介质柱中心距为（1. 2488a?1. 3852a)，所述环行器的插入损耗小于0. 2dB ;所述环行 器的高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气 背景周期排列而成，所述光子晶体中的娃介质柱半径为0. 2693a?0. 3671a，归一化频率 为（0. 4043?0. 4192)、分离因子为（0. 7558?0. 8208)、磁光介质柱边长为（0. 2686a? 0. 2885a)、拐角介质柱中心距为（1. 2304a?1. 4764a)，所述环行器的插入损耗小于0. 5dB ; 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空气 背景周期排列而成，所述光子晶体中的娃介质柱半径为0. 2642a?0. 3818a，归一化频率 为（0. 4016?0. 4235)、分离因子为（0. 7473?0. 8316)、磁光介质柱边长为（0. 2639a? 0. 2922a)、拐角介质柱中心距为（1. 2162a?1. 6971a)，所述环行器的插入损耗小于ldB。
[0016] 本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器可广泛应用于微波、太赫 兹和光通信波段。它与现有技术相比，具有如下积极效果。
[0017] (1)结构体积小，集成度高，电磁波传输效率高，适合大规模集成；
[0018] (2)本发明通过在光子晶体波导内设置一个铁氧体杆或其它磁光介质杆可以在短 程实现信号的环行，便于集成而且高效；
[0019] (3)本发明中外加磁场的方向控制波的环行方向，通过改变外加磁场的方向，电磁 波环行方向在沿顺时针和逆时针方向之间切换；
[0020] (4)本发明在输出端口具有极低的插入损耗，而在隔离端口具有非常高的隔离 度；
[0021] (5)本发明方案通过分别改变晶格常数等结构尺寸和折射率等，就能用于实现不 同波段的电磁波环行器。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器的结构示意图及采用 的坐标系。
[0023] 图2为本发明的方形介质柱光子晶体的优化最大光子带隙对应的TE带结构图。
[0024] 图3为本发明中的线缺陷光子晶体（即光子晶体波导）的带结构图，在禁带中 间存在一个传导模。图3中所标的线性色散区间，是通过条件dc〇/dk〈(dc〇/dk的峰值的 20% )来选取的。
[0025] 图4(a)为本发明的铁氧体杆在无偏置磁场情况下，即铁氧体杆未磁化情况下的 奇模谐振模场分布的强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度。
[0026] 图4 (b)为本发明的铁氧体杆未磁化情况下的偶模谐振模场分布的强度等色度二 维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度。
[0027] 图5(a)为本发明的铁氧体杆在有偏置磁场情况下，即铁氧体杆被磁化情况下的 谐振模场分布的强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度。
[0028] 图5(b)为图5(a)中心区域的放大图。
[0029] 图5(c)为图5(a)对应的强度等高等色度三维图，其中各点的颜色代表各点的电 场强度，各点的高度显示各点的电场强度。
[0030] 图6为本发明的铁氧体杆被磁化情况下的谐振模场能流分布图。
[0031] 图6(a)为能流分布的强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的能流强度 值。
[0032] 图6(b)为能流场分布的强度等高等色度三维图，其中各点的颜色代表各点的能 流强度值，各点的高度表示各点的能流强度。
[0033] 图7为本发明的T字型环行器中心区域的结构示意图。
[0034] 图8 (a)、图8 (b)、图8 (c)为波分别从本发明的T字型环行器的三个端口输入时的 其它两个端口的传输系数和隔离度随频率变化的特性，图中只给出了插入损耗为在〇. 2dB 以下的频率区间内的特性。
[0035] 图9 (a)、图9 (c)、图9 (e)为波分别从本发明的T字型环行器的三个端口输入时的 的电场分布的强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度。
[0036] 图9 (b)、图9 (d)、图9 (f)为波分别从本发明的T字型环行器的三个端口输入时的 的电场分布的强度等高等色度三维图，其中各点的颜色对应各点的电场强度，各点的高度 表不各点的电场强度。
[0037] 图10(a)为一个结构实施例，其中圆柱形背景介质柱拐角施加四个三角柱。
[0038] 图10(b)为一个结构实施例，其中圆柱形背景介质柱拐角施加四个半圆形柱。
[0039] 图10(c)为一个结构实施例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个半六角形柱。
[0040] 图10(d)为一个结构实施例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个三角形柱。
[0041] 图10(e)为一个结构实施例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个半圆形柱。
【具体实施方式】
[0042] 如图1所示，本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器包括一个具 有三个端口的T字型光子晶体波导，在一个T字交叉的光子晶体波导中心位置放置一个方 形磁光介质杆或称之为波导缺陷，磁光介质杆米用铁氧体或磁光介质材料，磁光介质杆的 横截面采用方形、矩形、圆形、椭圆形、环行、五边形、六边形、任意多边形、任意闭合曲线形 状；同时在T字交叉波导中心的四个角落分别设置四个拐角杆，将四个方形介质杆切角成 为直角边与其他方形杆边长相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆，四个拐角介质杆的 横截面为三角形、半圆形、半椭圆形、半多边形、或由一直边和曲线形成的闭合图形，拐角介 质杆与其对应格点位置的左边重合或不重合；交叉波导的背景介质柱的横截面为三角形、 圆形、半圆形、椭圆型、半椭圆形、多边形、或闭合曲线形状；光子晶体由高折射率介质和低 折射率介质交替排列布置而成，光子晶体由高折射率介质杆在低折射率介质背景中排列形 成的结构和由低折射率介质杆在高折射率介质背景中排列形成的结构；所述高折射率介质 材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化硅等折射率大于2的介质，低折射率介质材料为空气、 真空、二氧化硅、冰晶石、橄榄油或折射率小于1. 6的介质。所述光子晶体波导的任意输入 端输入的波沿顺时针或逆时针环行到相邻的输出波导端口。
[0043] 如图1中所示，从端口 1(P1)端口入射的电磁波信号将被高效低耗地环行到端口 2(P2)端口中去；同样，P2至端口 3(P3)、P3至端口 P1都可以实现同样的环行效果。本说 明中的坐标系如图1中所示。
[0044] 首先，我们选择以正方晶格分布的方形介质杆阵列作为背景光子晶体。其中a为 晶格常数，高折射率介质杆的材质采用硅（Silicon)，其在微波波段的折射率采用3. 4,低 折射率介质材料为空气。通过有限元方法（Finite Element Method,缩写为FEM)方法并计 算光子晶体的光子带结构图。以介质杆边长为自变量，对光子带结构图所扫描计算，得到在 背景介质柱边长为s b = 0. 3a的情况下，具有相对禁带比为36%，对应的光子带结构图如图 2所示。
[0045] 在光子晶体中去掉一行介质杆即得到光子晶体波导。通过FEM计算波导的特征函 数，可以得到线缺陷光子晶体（即光子晶体波导）的投射带结构图，在禁带中间存在一个传 导模，如图3所示。
[0046] 为了最小化群速色散对传输信号的失真的影响，同时为了使波导中的群速度足够 大，再考虑到要尽可能提高光子晶体对波导模的限制作用，波导模位于光子禁带区内，选取 图3中所标的线性色散区对应的频率区间为工作频率范围。该线性区间是通过取dco/dk 的峰值的20% )来确定的。该此线性区间对应的归一化频率范围为：
[0047] f = (2 π cpcoa = a/λ = 0· 3759 ?0· 4518 (1)
[0048] 在本说明书以下阐述的实施过程中，工作频率多在此频率范围内。
[0049] 如图1中所示，本发明中的铁氧体或其它磁光介质按z轴方向偏置，S卩外加磁场的 方向平行于z轴。在此情况下，相对磁导率可以写成张量形式：
[0050]
【权利要求】
1. 一种基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于：其包括一个具有 三个端口的Τ字型光子晶体波导，所述Τ字型波导中心放置一个方形磁光介质杆，所述位于 交叉波导中心的四个拐角处，分别设置四个方形介质杆切角成为直角边与背景方形介质杆 边长相同的等腰直角三角形以形成拐角介质杆；所述拐角介质杆与其对应格点位置的左边 重合或不重合；所述环行器的插入损耗为0. 〇2dB?ldB，其两端口隔离度大于14dB。
2. 按照权利要求1所述基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于： 所述光子晶体由高折射率介质杆在低折射率介质背景中周期排列而成，或由低折射率介质 杆在高折射率介质背景中周期排列而成。
3. 按照权利要求2所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于： 所述高折射率介质材料为硅、砷化镓、二氧化钛、氮化硅或折射率大于2的介质，低折射率 介质材料为空气、真空、二氧化硅、冰晶石、橄榄油或折射率小于1. 6的介质。
4. 按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于： 所述光子晶体波导的任意输入端输入的波沿顺时针或逆时针环行到相邻的输出波导端口。
5. 按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于： 所述磁光介质杆为铁氧体或磁光介质材料。
6. 按照权利要求1或5所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征 在于：所述磁光介质杆的横截面为方形、矩形、圆形、椭圆形、环行、五边形、六边形、任意多 边形、任意闭合曲线形状。
7. 按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于： 所述四个拐角介质杆的横截面为三角形、半圆形、半椭圆形、半多边形、或由一直边和曲线 形成的闭合图形。
8. 按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在于： 所述交叉波导的背景介质柱的横截面为三角形、圆形、半圆形、椭圆型、半椭圆形、多边形、 或闭合曲线形状。
9. 按照权利要求3所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑T字型环行器，其特征在 于： 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的硅介质柱半径为0.3a，归一化频率为0.4121、分 离因子为〇. 7792、磁光介质柱边长为0. 2817a、拐角介质柱中心距为1. 2997a，所述环行器 的插入损耗为0. 02dB，其中a为光子晶体的晶格常数，分离因子为磁光介质的磁导率张量 的第1行第2个量的绝对值与第1行第1个元素的值比值,归一化频率为c〇a/2 π c, ω为 圆频率，c为真空中光速； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的娃介质柱半径为0. 3006a?0. 3045a，归一化频率 为（0. 4103?0. 4138)、分离因子为（0. 7712?0. 7906)、磁光介质柱边长为（0. 2801a? 0· 2815a)、拐角介质柱中心距为（1. 3224a?1. 3365a)或（1. 2807a?1. 3122a)，所述环行 器的插入损耗小于〇. 〇5dB ; 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的娃介质柱半径为0. 28a?0. 3344a，归一化频率 为（0. 4073?0. 4160)、分离因子为（0. 7634?0. 8056)、磁光介质柱边长为（0. 2745a? 0. 2863a)、拐角介质柱中心距为（1. 2488a?1. 3852a)，所述环行器的插入损耗小于 0. 2dB ； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的娃介质柱半径为0. 2693a?0. 3671a，归一化频率 为（0. 4043?0. 4192)、分离因子为（0. 7558?0. 8208)、磁光介质柱边长为（0. 2686a? 0. 2885a)、拐角介质柱中心距为（1. 2304a?1. 4764a)，所述环行器的插入损耗小于 0. 5dB ； 所述高折射率介质材料为硅，所述低折射率介质材料为空气，所述光子晶体由硅在空 气背景周期排列而成，所述光子晶体中的娃介质柱半径为0. 2642a?0. 3818a，归一化频率 为（0. 4016?0. 4235)、分离因子为（0. 7473?0. 8316)、磁光介质柱边长为（0. 2639a? 0. 2922a)、拐角介质柱中心距为（1. 2162a?1. 6971a)，所述环行器的插入损耗小于ldB。
【文档编号】G02B6/122GK104101947SQ201410363257
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】欧阳征标, 金鑫, 林密, 王琼, 文国华, 王晶晶 申请人:欧阳征标, 深圳大学