光子晶体波导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T型波导横向 输出双路反相光学时钟信号发生器。
【背景技术】
[0002] 传统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。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。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T型波导横向输出双路反相光学时钟信号发生器。
[0004] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
[0005] 本发明光子晶体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T型波导;所述发生器还包括一个输入端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;该发生器还包括一个提供偏置磁场的电磁铁7和一个 矩形波电流源9;所述光子晶体T型波导的左端为输入端1，所述输出端2、3分别位于光子晶 体T型波导的下端、上端，呈一条直线布局;所述缺陷介质柱6位于T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T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TE光，再从端口 2、3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8;所述电磁铁7的一端通过导线8与矩形波电流源9的 一端相连接;所述电磁铁7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4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4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5为三角柱型。
[0014]所述缺陷介质柱6为铁氧体方柱，其形状为正方形，该铁氧体为磁各向异性材料， 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)可以短程高效地实现TE光双路反相光学时钟信号发生器，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是本发明光子晶体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是本发明光子晶体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7导线8矩形波电流源9
[0024] 图3是本发明光子晶体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。
[0027]图6是实施例2中光子晶体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，本发明光子晶体波导双路反相光学时钟信号发生器的结构示意图（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，该发生器还包括输 入端1、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1，端口 2、3分别位于光子晶体T型波导的下端、上端，呈直线布局;光子晶体波导由端 口 1输入TE光，再从端口 2、3输出两路相位相反的光学时钟信号。背景娃介质柱4,其形状为 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背景 介质柱4删除一个角所形成，等腰直角三角形缺陷介质柱5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为铁氧体方柱，其形状为正方形，位于T型波导中心交叉处，光轴方向垂直纸面向外，该 铁氧体为磁各向异性材料，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，本发明的光子晶体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），发生器包括一个提供偏置磁场的电磁铁7(电磁铁线圈）和一个矩形 波电流源9,该发生器还包括导线8,电磁铁7的一端通过导线8与矩形波电流源9的一端相连 接;电磁铁7的另一端与矩形波电流源9的另一端相连接;该电磁铁7提供偏置的磁场的方向 随时间做周期变化;本发明发生器的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。
[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(方形娃柱边长）
[0034] d3 = 0.2817a(方形缺陷柱边长）
[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，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以形成导波波导。通过在上 述T型波导中心交叉处引入一个铁氧体方柱(方形缺陷介质柱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。
[0040] 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。
[0041] 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，由两个端口交替输出，即输出两路相位相反 的光学时钟信号。
[0042] 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型波导横向输出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：
[0044] 磁导率张量的矩阵元中的有关参量由以下式子给出：
[0045] ω〇 = μ〇γΗο (2)
[0046] 〇m=y〇 γ Ms (3)
[0047] ω =2π f (4)
[0050] 其中，μ〇为真空中的磁导率，γ为旋磁比，Ηο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。
[0051 ] 通过数值扫描计算得到，d2 = 0.3a，d3 = 0.2817a，d5 = 1.2997