本发明涉及一种三端口光子晶体环行器，属于光子晶体器件和环行器技术领域。
背景技术：
近年来光子晶体已成为人们研究光器件的热门领域。光子晶体是一种介电常数或磁导率在空间呈周期或准周期排列的新型人工材料，它的光子能带效应可使得一定频段的光波不能在其中进行传播。通过对光子晶体中引入缺陷实现对光子的引导与控制，由此可以获得各种不同功能的光器件，如光子晶体激光器、滤波器、光开关、波分复用器件等。随着技术不断发展，人们已经不仅仅停留在具有单个功能的光子晶体器件研究上，而更注重研究多个不同光子晶体逻辑器件的功能集成，希望不久的将来能够实现光子晶体计算机。
随着光子晶体器件集成度的增加，器件之间的相互干扰问题逐渐突出，如果干扰信号不能得到有效消除或抑制，则很大程度上会影响整体性能和集成，因此能够优化光路性能的磁光环行器显得至关重要。
回顾光子晶体环行器的发展历史，最早出现的是一种“风车型”的二维磁性光子晶体环行器.该方案使用微扰理论和时域有限差分法仿真模拟二维磁性光子晶体环行器，并计算插入损耗和隔离度等外部特性参量。随后二维空气孔阵列缺陷结构被提出，并被用于实现标准的120oy型环行器，但这种方案设计的环行器隔离度较低且带宽很窄.目前有人将正方晶格的介质柱阵列置于空气中，在点缺陷处嵌入铁氧体柱构成二维磁性光子晶体，并以此为基础实现了三端口t型环行器.该环行器结构中设计了一个巧妙的反射腔，明显提高了隔离度性能，但结构中多个铁氧体柱带来了较大的插入损耗，带宽也不理想.
技术实现要素：
本发明提供了一种三端口光子晶体环行器，解决了多个铁氧体柱带来的损耗大的问题，同时可以克服空气孔结构y形环行器隔离度低和插入损耗高的不足。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
三端口光子晶体环行器，包括y型光子晶体波导，y型光子晶体波导的中心处设置有磁光介质柱。
三角晶格介质柱阵列排列于空气中构成光子晶体。
三角晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱。
三角晶格介质柱阵列的介质柱半径r＝0.2331a，a为光子晶体的晶格常数。
y型光子晶体波导的分支波导宽度为2a，长度为n*a，其中，n为不小于4的整数，a为光子晶体的晶格常数。
y型光子晶体波导的三个分支波导端口分别位于光子晶体的三个外围端面上。
分支波导端口位于所在外围端面的中心。
磁光介质柱的横截面为多边形。
多边形包括三个凸角，三个凸角分别在对应的三个分支波导中轴线上。
磁光介质柱的内圆半径r0＝0.39a，外圆半径r1＝0.953a。
本发明所达到的有益效果：1、本发明为紧凑、低损耗和宽带宽的三端口光子晶体环行器，可用于结构复杂、功能集成的光子晶体系统，对于提高光路抗干扰性和稳定性等方面具有不可估量的作用，是光子晶体大规模集成光路中必不可少的基础元件；2、本发明利用磁光材料柱外围引入补偿柱的方式，实现三端口间高效率光传输和高度光隔离的电磁波信号单方向环行传输；3、本发明不仅对称性高、结构紧凑、性能优良，而且具有较宽的工作频段，易于制备且易与其它光子晶体器件实现集成；4、本发明可以同时引导或隔离多个器件之间的信号回流和干扰，同时提供光子晶体集成光路中多个器件间消除信号串扰的功能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为磁光介质柱的结构示意图；
图3为当r、r1和r0保持不变，不同a情况下磁光环行器插入损耗和隔离的变化示意图；
图4为当a、r1和r0保持不变，不同r情况下磁光环行器插入损耗和隔离的变化示意图；
图5为当r、a和r0保持不变，不同r1情况下磁光环行器插入损耗和隔离的变化示意图；
图6为当a、r1和r保持不变，不同r0情况下磁光环行器插入损耗和隔离的变化示意图；
图7为本发明的完美三角晶格光子晶体te模式带隙结构的示意图；
图8为本发明第一种光传输示意图；
图9为本发明第二种光传输示意图；
图10为本发明第三种光传输示意图；
图11为本发明的端口3外加直流磁场的3d电场传播示意图；
图12为本发明的端口3外加直流磁场的插入损耗和隔离度的谱线示意图；
图13(a)为本发明的端口3外加直流磁场的s13、s33参数示意图；
图13(b)为本发明的端口3外加直流磁场的s23参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，三端口光子晶体环行器，包括y型光子晶体波导，y型光子晶体波导的中心处设置有磁光介质柱。
光子晶体是三角晶格介质柱阵列排列于折射率为1的介质中构成，这里直接排列在空气中，光子晶体呈等边三角形，三角晶格介质柱阵列的介质柱为圆柱，材料为砷化镓，折射率为3.4。
三角晶格介质柱阵列中将排列成y型的若干介质柱去掉，即形成了y型光子晶体波导，相邻分支波导之间的夹角为120°，三个分支波导端口(即图中的端口1、2和3)分别位于光子晶体的三个外围端面上，并且位于所在外围端面的中心，所有分支波导的长度相等，长度为n*a，n为不小于4的整数，所有分支波导的宽度相等，宽度为2a，并且分支波导与对应外围端面垂直。
如图2所示，磁光介质柱的横截面为多边形，该多边形包括三个凸角，三个凸角分别在对应的三个分支波导中轴线上，三个凸角的角度相等，相邻凸角之间设置有一凹角，所有凹角的角度一致。
磁光介质柱的材料为铁氧体，其旋磁性用张量磁导率μ可表示为：
式中，μr和κ分别为张量元素和波矢量，μ0＝8.8542×10-12c2/nm2为自由空间的磁导率，
μr＝μ0(1+χxy)
κ＝-jμ0χxx
式中，χxy和χxx均为磁化率张量的特定元素，可表示为：
分析整理简化可得：
μr＝(1+ωm(ω0+iαω))/[(ω0+iαω)2-ω2]
κ＝(ωmω)/[(ω0+iαω)2-ω2]
式中，ω0和ωm为施加偏磁场的拉莫尔频率，ω0＝μ0γh0，ωm＝μ0γms，
y型光子晶体波导的中心处嵌入磁光介质柱，对参数的变化非常敏感，因此参数的变化直接影响插入损耗和隔离度的大小，尤其是光子晶体的晶格常数a、三角晶格介质柱阵列的介质柱半径r、磁光介质柱的内圆半径r0和外圆半径r1，它们的优劣程度决定整个环行器的性能，所以需要讨论参数对环行器插入损耗和隔离度的情况影响。当插入损耗很低的情况下，隔离度不一定很高，同时在隔离度很高的情况下，插入损耗不一定很低。基于综合考虑，优先选择插入损耗最低点为最优值，其次再选择隔离度最高点。
如图3所示，当r、r1和r0保持不变，不同a对环行器插入损耗和隔离度的情况影响不同。当插入损耗很低的情况下，隔离度不一定很高，同时在隔离度很高的情况下，插入损耗不一定很低，基于综合考虑，我们优先选择晶格常数a为0.86mm时候，环行器的插入损耗最低点为最优值，其次再考虑选择隔离度最高点。
如图4所示，当a、r1和r0保持不变，不同r对环行器插入损耗和隔离度的情况影响不同。当插入损耗很低的情况下，隔离度不一定很高，同时在隔离度很高的情况下，插入损耗不一定很低，基于综合考虑，我们优先选择介质柱半径r为0.2331a时候，环行器的插入损耗最低点为最优值，其次再考虑选择隔离度最高点。
如图5所示，当r、a和r0保持不变，不同r1对环行器插入损耗和隔离度的情况影响不同。当插入损耗很低的情况下，隔离度不一定很高，同时在隔离度很高的情况下，插入损耗不一定很低，基于综合考虑，我们优先选择磁光介质柱外圆半径r1为0.953a时候，磁光环行器的插入损耗最低点为最优值，其次再考虑选择隔离度最高点。
如图6所示，当a、r1和r保持不变，不同r0对环行器插入损耗和隔离度的情况影响不同。当插入损耗很低的情况下，隔离度不一定很高，同时在隔离度很高的情况下，插入损耗不一定很低，基于综合考虑，我们优先选择磁光介质柱内圆半径r0为0.39a时候，磁光环行器的插入损耗最低点为最优值，其次再考虑选择隔离度最高点。
理论上凡是在光子晶体的带隙频率范围的电磁波进入线缺陷的光波导，均是会被限制在波导内稳定传播。因此为了验证磁光环行器的可行性，首先要进行光子晶体的带隙分析，然后在每个端口输入功率为1w的电场作为激励，计算和分析剩余两端口的传输和隔离。同时再利用有限元方法对各向异性介质进行结构优化和张量元素计算，以达到优化结构参数和仿真分析结果。
运用rsoft软件，选取晶格常量a＝0.86mm，介质柱r＝0.2331a，介质柱阵列折射率n为3.4，利用平面波(pwe)展开法得到环行器的完美三角晶格光子晶体te模式带隙结构的示意图如图7所示，图中出现了3个te带，分析得到的光子禁带频率范围是：
0.26(2πc/a)～0.4(2πc/a)
0.505(2πc/a)～0.59(2πc/a)
0.782(2πc/a)～0.81(2πc/a)
式中，c＝3×10^8m/s为光在真空中的传播，
理论上凡是在此频率范围的电磁波进入线缺陷的光波导，均是会被限制在波导内稳定传播，为验证环行器的可行性提供了理论依据。
为了使磁光介质柱与相应波导匹配，进一步地，对环行器的结构参数进行优化。电磁波信号从端口3输入，将从端口1输出，其余端口都为信号隔离端口。分别在端口1至端口2设置信号探测线得到相应端口的电磁波功率，设定端口1的插入损耗为10log(p输入/p输出)，以及端口2的隔离度分别为10log(p输入/p隔离)，其中p输入为信号输入端口即端口3的信号功率，p输出为信号输出端口即端口1探测的信号功率，p隔离为信号隔离端口即端口2探测的信号功率。
通过优化所述几何结构参数获得端口3最佳的插入损耗和隔离度计算曲线如图12所示。在图12中，虚线-双点曲线代表不同频率下端口1的插入损耗，实线代表不同频率下端口2的隔离度，图12表明，该环行器的工作频率为194ghz至196.6ghz，该频段内的端口1的插入损耗都小于0.02db，端口2的隔离度都大于21db。数值分析表明，在光子晶体带隙范围内，环行器的传输效率都很高，在输出与输入端口之间几乎没有能量损失，而且隔离度也很好，如图11环行器的端口3外加直流磁场的3d电场传播示意图所示。
由于环行器结构旋转对称性，上述结构参数优化同样适用于电磁波信号从其它端口入射的情况下，获得环行器的插入损耗和隔离度计算曲线与图12和图11结果相同。
根据上述优化结果检验三个端口光子晶体环行器的工作性能：
参照图8，可选择带宽范围为197ghz至198ghz内任意某一频率的电磁波，如频率为197.27ghz的电磁波从端口1入射，磁光介质柱对电磁波实施120°角旋转，最后电磁波从端口2输出，端口2的插入损耗为0.112db，端口3处于光隔离状态，其隔离度分别为23.78db。
参照图9，可选择带宽范围为190ghz至200ghz内任意某一频率的电磁波，如频率为199ghz的电磁波从端口2入射，磁光介质柱对电磁波实施120°角旋转，最后电磁波从端口3输出，端口3的插入损耗为0.112db，端口1均处于光隔离状态，其隔离度为20.69db。
参照图10，可选择带宽范围为195ghz至196ghz内任意某一频率的电磁波，如频率为195.64ghz的电磁波从端口3入射，磁光介质柱对电磁波实施120°角旋转，最后电磁波从端口1输出，端口1的插入损耗为0.112db。端口2处于光隔离状态，其隔离度为20.69db。
该光环行器实现三端口间的单方向光环行传输，即三端口中从任意一端口输入的电磁波信号，将按照同一旋转方向从相邻的下一端口输出，其余端口为隔离电磁波信号端口。
在环形器功能已经实现情况下，改变入射电磁波的频率，我们可以也计算出环行器s参数的变化如图13的环形器端口3外加直流磁场的s参数曲线图所示。其中，图(a)中s13参数代表为透射端口的传输系数，s33参数代表输入反射系数，图(b)中s23参数代表隔离端口的传输系数。综合结果表明，该环行器在插入损耗低且隔离度高的条件下，达到的带宽范围也很宽，且稳定性也更好，这一结果相比与其他资料上的结果有明显改善。
本发明为紧凑、低损耗和宽带宽的三端口光子晶体环行器，利用磁光材料柱外围引入补偿柱的方式，实现三端口间高效率光传输和高度光隔离的电磁波信号单方向环行传输，对称性高、结构紧凑、性能优良，而且具有较宽的工作频段，易于制备且易与其它光子晶体器件实现集成，可以同时引导或隔离多个器件之间的信号回流和干扰，同时提供光子晶体集成光路中多个器件间消除信号串扰的功能，可用于结构复杂、功能集成的光子晶体系统，对于提高光路抗干扰性和稳定性等方面具有不可估量的作用，是光子晶体大规模集成光路中必不可少的基础元件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。