基于光子晶体十字波导的磁控二选一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开关更具体地说，本发明涉及一种基于光子晶体十字 波导的磁控二选一光路开关。
【背景技术】
[0002] 传统的磁控二选一光路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 一光路开关，其光子晶体十字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] 本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关，包括一个具有TE禁带的光 子晶体十字波导;所述发生器还包括一个输入端1、三个输出端2、3、4、背景硅介质柱5、等腰 直角三角形缺陷介质柱6和缺陷介质柱7,所述光路开关还包括一个提供偏置磁场的电磁铁 8,所述光子晶体十字波导的左端为输入端1，所述输出端2、34分别位于光子晶体十字波导 的下端、右端、上端;所述缺陷介质柱7位于十字波导中心交叉处;所述4个等腰直角三角形 缺陷介质柱6分别位于十字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， 输出信号从端口 2或端口 4输出，即输入端1选择性地与端口 2或端口 4连接。
[0006] 所述调制器进一步包括导线9、极性可控电流源10和电子开关11。所述电磁铁8的 一端与可控电流源10的一端相连接;所述电磁铁8的另一端通过导线9与极性可控电流源10 的另一端相连接;所述极性可控电流源10与电子开关11相连接。
[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材料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] 所述十字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] 所述十字波导交叉拐角处的背景介质柱5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6为三角柱型。
[0011] 所述背景硅介质柱5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]所述缺陷介质柱7为铁氧体方柱，其形状为正方形，所述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 4为调制输出端。
[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)便于集成，可以短程高效地实现TE光信号磁控二选一光路开关，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是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一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输出端4背景娃介质柱5等腰直角三角形缺陷 介质柱6缺陷介质柱7
[0022] 图2是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的另一种结构示意 图。
[0023] 图中：电磁铁8导线9极性可控电流源10电子开关11
[0024] 图3是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关结构参数分布图。
[0025] 图4是本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的开关波形图。
[0026] 图5(a)是实施例1中光子晶体十字波导的磁控二选一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中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关 隔离度图。
[0028] 图6(a)是实施例2中光子晶体十字波导的磁控二选一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中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关 隔离度图。
[0030]图7(a)是实施例3中光子晶体十字波导的磁控二选一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中光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的禁带频率的开关 隔离度图。
[0032] 图8是本发明的基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的光场分布不意 图。
【具体实施方式】
[0033] 如图1所示，本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选一光路开关的结构示意图 (删除偏置电路和偏置线圈），包括一个具有TE禁带的光子晶体十字波导，所述光路开关还 包括一个输入端1、三个输出端2、3、4、背景娃介质柱5、等腰直角三角形缺陷介质柱和缺陷 介质柱7;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和端口 4隔离光波;光 子晶体十字波导的左端为输入端1，输出端口 2、3、4分别位于光子晶体十字波导的下端、右 端、上端，光子晶体波导由端口 1输入TE光，开关11控制信号再分别从端口2或端口4输出，即 端口 1选择与端口 2和端口 4相连接;背景娃介质柱5形状为正方形，光轴方向垂直纸面向外， 等腰直角三角形缺陷介质柱6为，十字波导交叉拐角处的背景介质柱5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6为三角柱型，4个等腰直角三角 形缺陷介质柱6分别位于十字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7位于十字波导中心交叉处，该缺陷介质柱7为铁氧体方柱，其形状为正方形，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， 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所示，本发明基于光子晶体十字波导的磁控二选 一光路开关的结构示意图（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8(电磁铁线圈），光路开关还包括导线9、极性可控电流源10和电子开关11;电磁铁8 的一端与极性可控电流源10的一端相连接，电磁铁8的另一端通过导线9与极性可控电流源 10的另一端相连接;极性可控电流源10与电子开关11相连接。本发明磁控二选一光路开关 如图1和图3所示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 (正方形缺陷介质柱边长）
[0038] d4=0.3a (等腰直角三角形缺陷柱腰长）
[0039] d5= 1.2997a (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。通过在上述十字波导中心交叉处引入一个铁氧体方柱 (正方形缺陷柱7)，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(正方形缺陷介质柱7)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 体十字波导的磁控二选一光路开关。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方程给出：
[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] 铁氧体方柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
[0053]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，该偏置电流为控制 信号;偏置电流为正(负)值时，一个光路为选通(关闭），另一个光路处于关闭(选通）。
[0054]通过调节偏置磁场Η的大小来确定符合H=Ho时，光从端口 4输出，H=-Ho时，光从端 口 2输出。从而实现磁控二选一光路开关。