基于光子晶体波导的超高效紧凑十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十字型环行器，它包括一个四个端口的十字交叉的光子晶体波导；所述的十字交叉光子晶体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，其隔离端与输入端的隔离度大于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十字型环行器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及四端口十字型环行器领域，尤其涉及一种基于光子晶体技术的十字 型环行器。
【背景技术】
[0002] 自从电磁学诞生以来，环行器以它独特的功能被广泛使用。环行器根据不同的用 途可以应用于不同波段与器件。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。
[0003] 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。在集成大量组件的微波器件和集成光路中，各个组件之间不可避免的会产生各种 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。 基于铁氧体材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，并且与波前直接作用，因而结构还是相对复杂并且 带宽相对较窄。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于光子晶体波导的超高效紧 凑十字型环行器。
[0005] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0006] 本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器包括一个四个端口的十 字交叉的光子晶体波导；所述的十字交叉光子晶体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，其隔离端与输入端的隔离 度大于14dB。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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与输 入端波导90度正交的输出波导端口，电磁波的环行方向随外加磁场的方向而改变。
[0010] 所述磁光介质杆为铁氧体材料。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 所述光子晶体十字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。
[0014] 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. 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，所述光子晶体中的硅介质柱半径为〇. 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。
[0015] 本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十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。
[0016] 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；
[0017] 2.本发明在短程通过一个铁氧体杆可以实现信号的环行，便于集成而且高效；
[0018] 3.本发明通过改变偏置场的极性，即可使电磁波沿顺时针或逆时针环行；
[0019] 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；
[0020] 5.本发明原理在不考虑色散或色散可以忽略的情况下，可以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，可以实现在不同波段电磁波环行的功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器的结构示意图及 本发明采用的坐标系。
[0022] 图2为本发明的方形介质柱光子晶体的光子带隙图和优化最大光子带隙对应的 TE带结构图。
[0023] 图2(a)为带隙与背景介质柱边长sb的关系图，在背景介质柱边长为sb = 0. 3a的 情况下，具有相对禁带比为36%的禁带。
[0024] 图2 (b)为sb = 0. 3a的情况下的带结构图。
[0025] 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。而图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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 图5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 模场分布图（电场强度等色度二维图，其中各点的颜色代表各点的电场强度）。
[0029] 图5(a)为在铁氧体杆被磁化情况下，系统中谐振模场的漩涡状分布图。
[0030] 图5(b)为图5(a)中心区域的放大图。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 图7为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器中心区域的结构示 意图。
[0035] 图8为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器的插入损耗和隔离 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。
[0036] 图9为本发明基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器的场分布与能流分 布模拟结果。
[0037] 图9(a)为场分布的强度等色度二维图，显示电磁波电场无任何损耗地高效环行， 其中各点的颜色代表各点的电场强度值。
[0038] 图9 (b)为能流分布的强度等色度二维图，显示能量几乎全部被环行到P2端口，其 中各点的颜色代表各点的能流强度值。
[0039] 图10(a)、图10(b)、图10(c)、图10(d)为电磁波分别从本发明的十字型环行器 的四个端口输入时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 值。
[0040] 图11(a)为一个实施结构例，其中圆柱形背景介质柱拐角施加四个三角柱；
[0041] 图11(b)为一个实施结构例，其中圆柱形背景介质柱拐角施加四个半圆形柱；
[0042] 图11(c)为一个实施结构例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个半六角形柱；
[0043] 图11(d)为一个实施结构例，其中六角形背景介质柱拐角施加四个三角形柱；
[0044] 图11(e)为一个实施结构例，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】
[0045] 如图1所示，本发明的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器包括一个四 个端口的十字交叉的光子晶体波导；在一个十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；磁光介质杆米用铁氧体或磁光介质材料；所述磁光介质杆的横截面米用方 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；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（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；四个拐角介质杆的 横截面采用三角形、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；光子晶体十字交叉波导的背景介质柱的横 截面采用三角形、圆形、半圆形、椭圆型、半椭圆形、多边形、或闭合曲线；所述光子晶体由高 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。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与输入端波导90度正交的输出波导 端口，电磁波波的环行方向随外加磁场的方向而改变。
[0046] 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 4(P4)、P4至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。
[0047] 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可以认为是 3. 4,低折射率介质为空气。为了得到最宽的光子晶体完全禁带，可以设置一个以介质杆边 长为自变量的频率扫描序列，来研究边长变化随禁带的分布情况。如图2(a)中所示，通过 使用有限元方法（Finite Element Method,缩写为FEM)方法并计算场中的特征频率，可以 得到在背景介质柱边长为sb = 0. 3a的情况下，具有相对禁带比为36%的禁带。针对这个 禁带，图2(b)中详细的带结构图。
[0048] 在微波集成电路和光集成器件中，避免不同频率引起的群速度不同是至关重要 的，直接影响着信号的质量。为了最小化不同频率信号造成的群速色散，找出d2co/dk2 = 0 的区间是必要的。在光子晶体线缺陷波导中，带结构的投射图如图3中所示，在禁带中间存 在一个传导模。图3所展示的即为此导模上的线性区间，此线性区间是通过取dco/dk的峰 值的20%来界定的。本说明中所计算出的此线性区间的归一化频率范围为：
[0049] f = (2 π c)-1 c〇a = a/λ = 0· 3748 ?0· 4511 (1)
[0050] 在本说明以下阐述的实施过程中，都以此频率范围为基础进行研究。
[0051] 如图1中所示，本发明中的铁氧体按Ζ轴方向偏置，在此情况下，相对磁导率张量 为：
【权利要求】
1. 一种基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，其特征在于：其包括一个四个 端口的十字交叉的光子晶体波导；所述的十字交叉光子晶体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?ldB，其隔离端与输入 端的隔离度大于14dB。
2. 按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的超高效紧凑十字型环行器，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十字型环行器，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十字型环行器，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与输入端波 导90度正交的输出波导端口，波的环行方向随外加磁场的方向而改变。
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十字型环行器，其特征在 于：所述磁光介质杆为铁氧体材料。
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十字型环行器，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。
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十字型环行器，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十字型环行器，其特征在 于：所述光子晶体十字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。
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十字型环行器，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〇. 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】G02B6/122GK104101948SQ201410363260
【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 申请人:欧阳征标, 深圳大学