專利名稱：基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子晶體器件和磁光技術(shù)等領(lǐng)域，尤其涉及一種基于磁光腔耦合的光
子晶體四端口環(huán)行器。
背景技術(shù)：
光環(huán)行器是集成光學(xué)中具有抗干擾作用的重要光器件。光環(huán)行器可以在多個端口
間形成光的單方向環(huán)行傳輸，使得入射信號能夠順利通過而反射信號獲得隔離。這種特性
能夠大大降低集成光路中器件之間反射光的相互串?dāng)_，非常有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳
統(tǒng)的光環(huán)行器主要是基于磁光材料的塊材結(jié)構(gòu)，其缺點是體積大且不易與其它器件集成，
這些不利因素很大程度上限制了它們在新一代光器件集成中的應(yīng)用。光子晶體概念的提出
及其研究發(fā)展為實現(xiàn)小型化、易集成化的磁光環(huán)行器開拓了新思路和新方法。 光子晶體是由不同介質(zhì)按照周期或準(zhǔn)周期排列的新型人工材料，它的一個重要特
征是存在光子禁帶，對應(yīng)禁帶頻段的光波不能在晶體中傳播。利用這種帶隙效應(yīng)，在光子晶
體中引入缺陷即能實現(xiàn)對光子的操控。基于光子晶體獨特的光學(xué)性質(zhì)，具有不同功能的器
件已經(jīng)被廣泛研制和應(yīng)用，如光子晶體激光器、光子晶體波分復(fù)用器/解復(fù)用器、光子晶體
諧振腔、光子晶體開關(guān)等，它們在新型光子器件中具有不可估量的應(yīng)用前景。 利用磁光效應(yīng)設(shè)計光子晶體環(huán)行器件具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計靈活和集成度高的優(yōu)
點，在提高光子晶體器件集成系統(tǒng)的信號穩(wěn)定性方面具有潛在的應(yīng)用價值。然而，有關(guān)光子
晶體磁光環(huán)行器的研究還處于初步階段，而且還都只是基于單個光子晶體磁光腔的結(jié)構(gòu)設(shè)
計，它們結(jié)構(gòu)形式上的單一性使得環(huán)行器在端口拓展方面存在一定的局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，通過合理布局兩個磁光腔之間的連接波導(dǎo)，在磁光腔耦合作用時獲得最佳傳輸效率和高度光隔離，實現(xiàn)光子晶體中單方向光環(huán)行傳輸?shù)墓δ堋?本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，所述光子晶體由三角對稱排列的第一空氣柱周期分布于介質(zhì)背景材料中構(gòu)成，還包括兩個相同的第一磁光腔和第二磁光腔，以及在第一磁光腔周圍對稱分布的第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)、第三波導(dǎo)和在第二磁光腔周圍對稱分布的第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)、第六波導(dǎo)，中間連接第一磁光腔和第二磁光腔的第三波導(dǎo)和第四波導(dǎo)構(gòu)成"V"形排列，所述第二波導(dǎo)和第四波導(dǎo)、所述第三波導(dǎo)和第五波導(dǎo)分別平行；所述第一磁光腔與所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)、第三波導(dǎo)的銜接處均設(shè)立兩個第二空氣柱，所述第二磁光腔與所述第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)、第六波導(dǎo)的銜接處同樣設(shè)立兩個第二空氣柱，該第二空氣柱的直徑小于所述的第一空氣柱的直徑；靠近第一磁光腔的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)、第一波導(dǎo)和第三波導(dǎo)以及第二波導(dǎo)和第三波導(dǎo)之間設(shè)置兩排直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，靠近第二磁光腔的第四波導(dǎo)和第五波導(dǎo)、第四波導(dǎo)和第六波導(dǎo)以及第五波導(dǎo)和第六波導(dǎo)之間同樣設(shè)置兩排直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，所述第四空氣柱的直徑大于所述第三空氣柱的直徑，第三空 氣柱的直徑大于所述第一空氣柱的直徑。 在本發(fā)明中，所述第三波導(dǎo)和第四波導(dǎo)連接處具有的上下位置的第五空氣柱和第 六空氣柱都沿著平行于第一波導(dǎo)和第六波導(dǎo)的方向向上移動所述光子晶體的晶格常數(shù)一 半的距離。 在本發(fā)明中，所述第一磁光腔和第二磁光腔均包括一磁光材料柱和六個對稱分布 在該磁光材料柱周圍的第一空氣柱，該磁光材料柱是在磁光材料填充一個第一空氣柱的基 礎(chǔ)上并對其施加與第一空氣柱軸線平行方向的磁場而形成。 在本發(fā)明中，所述第一波導(dǎo)至第六波導(dǎo)是利用介質(zhì)背景材料填充一列第一空氣柱 而形成，并且波導(dǎo)長度至少為三個所述光子晶體晶格常數(shù)。 在本發(fā)明中，所述第一磁光腔周圍對稱分布的第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)及第三波導(dǎo)之
間的相鄰夾角為120度，所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)及第三波導(dǎo)的交線匯聚于第一磁光腔中
心；所述第二磁光腔周圍對稱分布的第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)及第六波導(dǎo)之間的相鄰夾角為
120度，所述第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)及第六波導(dǎo)的交線匯聚于第二磁光腔中心。 在本發(fā)明中，所述構(gòu)成"v"形排列的第三波導(dǎo)和第四波導(dǎo)的長度相同，并且兩波導(dǎo)
之間夾角為120度。 在本發(fā)明中，所述光子晶體中的第一空氣柱至第六空氣柱以及兩個磁光材料柱的 截面為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。 在本發(fā)明中，所述光子晶體中的第一空氣柱至第六空氣柱為低折射率材料的介質(zhì) 柱。 在本發(fā)明中，所述光子晶體的介質(zhì)背景材料為氮化鎵材料，所述填充第一空氣柱 的磁光材料為鉍鐵石榴石材料。 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器利用磁光腔的 旋光效應(yīng)，對不同波導(dǎo)實現(xiàn)光傳輸和光隔離效果，成功獲得四個端口間的單方向光環(huán)行功 能，通過合理布局連接磁光腔的波導(dǎo)，實現(xiàn)兩個磁光腔左、右兩側(cè)的波導(dǎo)分別平行，使得磁 光腔耦合作用時獲得最佳傳輸效果；另外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)緊湊，易與其它光子晶體器件實現(xiàn) 集成，在光子晶體器件集成中具有隔離反射信號、提高系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾饔谩?br>

圖1為本發(fā)明的第一磁光腔和第二磁光腔耦合的二維光子晶體四端口環(huán)行器示 意圖。 圖2為本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器的光譜示意圖，其中，第 一端口 21為光輸入端口，其中實線對應(yīng)傳輸?shù)诙丝?22的光功率，虛線對應(yīng)隔離第三端 口 23的光功率，點線對應(yīng)隔離第四端口 24的光功率，點虛線對應(yīng)光損耗和光反射的功率總 和。 圖3為本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器的光譜示意圖，其中，第 二端口 22為光輸入端口 ，其中實線對應(yīng)傳輸?shù)谌丝?23的光功率，虛線對應(yīng)隔離第一端口 21或第四端口 24的光功率，點線對應(yīng)光損耗和光反射的功率總和。 圖4為本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器光傳輸示意圖，其中，入
4射端口為第一端口 21，出射端口為第二端口 22，第三端口 23和第四端口 24為隔離端口。
圖5為本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器光傳輸示意圖，其中，入 射端口為第二端口 22，出射端口為第三端口 23，第一端口 21和第四端口 24為隔離端口。
圖6為本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器光傳輸示意圖，其中，入 射端口為第三端口 23，出射端口為第四端口 24，第一端口 21和第二端口 22為隔離端口。
具體實施例方式
下面根據(jù)附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步闡述。 如圖1所示，二維光子晶體由介質(zhì)背景材料中周期分布的第一空氣柱10組成，晶 格常數(shù)a設(shè)定為1 i！ m，直徑d為0. 72 i！ m的第一空氣柱10呈三角對稱排列，即任何相鄰三 個第一空氣柱10的中心連線構(gòu)成等邊三角形。介質(zhì)背景材料可以選擇折射率為2. 5的氮 化鎵(GaN)材料。根據(jù)平面波展開方法計算表明，該介質(zhì)-空氣柱型光子晶體存在較寬的 TE極化波(磁場沿z方向)光子帶隙，帶隙寬度從歸一化頻率a/ A = 0. 307到a/ A = 0.418，其中A代表光波長。 在以上的光子晶體中，擴大兩個第一空氣柱10(沿x軸方向間隔五個第一空氣柱) 的直徑到0. 8 i！ m，并將它們填充磁光材料和施加與第一空氣柱10軸線平行的磁場，即形成 兩個相同的磁光材料柱(在圖1中用網(wǎng)格線標(biāo)示)，每一磁光柱與周圍臨近的六個第一空氣 柱10構(gòu)成一磁光腔，即第一磁光腔11和第二磁光腔12。該第一磁光腔11和第二磁光腔 12之間通過"v"形排列的第三波導(dǎo)3和第四波導(dǎo)4連接形成耦合結(jié)構(gòu)，"v"形結(jié)構(gòu)的夾角 為120度，即第三波導(dǎo)3和第四波導(dǎo)4的夾角為120度，第一磁光腔11和第二磁光腔12還 分別連接第一波導(dǎo)1和第二波導(dǎo)2及第五波導(dǎo)5和第六波導(dǎo)6，第一波導(dǎo)1至第六波導(dǎo)6均 是利用背景介質(zhì)材料填充一列第一空氣柱10而形成。第一波導(dǎo)1、第二波導(dǎo)2及第三波導(dǎo) 3對應(yīng)第一磁光腔11 ;第四波導(dǎo)4、第五波導(dǎo)5及第六波導(dǎo)6對應(yīng)第二磁光腔12，其中，該第 一波導(dǎo)1、第二波導(dǎo)2及第三波導(dǎo)3的交線匯聚于第一磁光腔11的中心，該第四波導(dǎo)4、第 五波導(dǎo)5及第六波導(dǎo)6的交線匯聚于第二磁光腔12的中心，并且每組三個波導(dǎo)的相鄰夾角 為120度。該第一波導(dǎo)l對應(yīng)端口 21、該第二波導(dǎo)2對應(yīng)端口 22、該第五波導(dǎo)5對應(yīng)端口 23、該第六波導(dǎo)6對應(yīng)端口 24。連接第一磁光腔11和第二磁光腔12的第三波導(dǎo)3和第四 波導(dǎo)4構(gòu)成"v"形排列，則第一磁光腔11和第二磁光腔12左側(cè)連接的第二波導(dǎo)2、第四波 導(dǎo)4平行，第一磁光腔11和第二磁光腔12右側(cè)連接的第三波導(dǎo)3、第五波導(dǎo)5平行。為提 高磁光腔與波導(dǎo)之間的耦合效率，在該第一磁光腔與該第一波導(dǎo)1、第二波導(dǎo)2、第三波導(dǎo)3 的銜接處均設(shè)立兩個第二空氣柱13，在該第二磁光腔與該第四波導(dǎo)4、第五波導(dǎo)5、第六波 導(dǎo)6的銜接處同樣設(shè)立兩個第二空氣柱13，該第二空氣柱13的直徑為0. 36 ii m。
磁光材料在施加與第一空氣柱10軸線平行(z軸)的磁場后，它的介電參量可以 用一個三維張量表示
《xx■、f。0、、=-&。 0
、00、 其中對角元e 。對應(yīng)無外加磁場時的材料介電常數(shù)，非對角元e a反應(yīng)施加外磁場
后的磁光效應(yīng)強度。在上述光子晶體磁光腔中，所產(chǎn)生的磁光效應(yīng)能夠使點缺陷腔支持的
5本征模式形成相互耦合作用，導(dǎo)致腔中電磁場分布模式發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化，即光子晶體磁光腔 的旋光效應(yīng)。當(dāng)特定波長的光從磁光腔的某個波導(dǎo)入射時，磁光腔的旋光效應(yīng)能夠使腔內(nèi) 磁場的波矢對磁光腔另外連接的兩個波導(dǎo)分別產(chǎn)生平行和偏離效果，與波矢平行的波導(dǎo)則 獲得光傳輸狀態(tài)，而與波矢偏離的波導(dǎo)則獲得光隔離狀態(tài)。對于填充第一空氣柱的磁光材 料，可以選擇鉍鐵石榴石(Bismuth Iron Garnet, BIG)，其對角元參量e。和非對角元參量 e a分別選定為6. 25和0. 0517。 為提高光子晶體環(huán)行器中波導(dǎo)傳輸效率和降低波導(dǎo)間的干擾，在靠近第一磁光腔 11的第一波導(dǎo)1和第二波導(dǎo)2、第一波導(dǎo)1和第三波導(dǎo)3以及第二波導(dǎo)2和第三波導(dǎo)3之 間設(shè)置兩排直徑遞增的第三空氣柱14和第四空氣柱15，靠近第二磁光腔的第四波導(dǎo)4和第 五波導(dǎo)5、第四波導(dǎo)4和第六波導(dǎo)6以及第五波導(dǎo)5和第六波導(dǎo)6之間同樣設(shè)置兩排直徑 遞增的第三空氣柱14和第四空氣柱15，如圖1所示。設(shè)置光從第一波導(dǎo)1的第一端口 21 入射，分別在第一端口 21、第二端口 22、第三端口 23以及第四端口 24設(shè)置探測點獲得相應(yīng) 的光功率，其中在第一端口 21測反射光功率，在第二端口 22、第三端口 23以及第四端口 24 測透射光功率。通過調(diào)節(jié)圖1中第三空氣柱14和第四空氣柱15的直徑，得到最佳光譜如 圖2所示。結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)行器工作頻率選擇在a/入=0.352時，輸出第二端口22的光功 率達(dá)到最大值96%，隔離第三端口 23和第四端口 24的光功率分別為1. 5%和0. 0001%，此 時對應(yīng)光損耗和光反射的總和達(dá)到最小值，約為2. 5%。該第三空氣柱14和第四空氣柱15 的直徑優(yōu)化結(jié)果分別為0. 78 ii m和0. 86 y m.根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，以上優(yōu)化結(jié)果同樣適用于 光從第五波導(dǎo)5的第三端口 23入射的情況。 為降低該連接第一磁光腔11和第二磁光腔12的呈"v"形排列的第三波導(dǎo)3和第 四波導(dǎo)4的拐角損耗，對第三波導(dǎo)3和第四波導(dǎo)4連接處的上下分布的第五空氣柱16和第 六空氣柱17的位置進行調(diào)整。設(shè)置光從第二端口 22入射，分別在第一端口 21、第二端口 22、第三端口 23以及第四端口 24設(shè)置探測點獲得相應(yīng)的光功率，其中，在第二端口 22測反 射光功率，在第一端口 21、第三端口 23和第四端口 24測透射光功率。通過調(diào)整第五空氣柱 16和第六空氣柱17的位置，得到最佳光譜如圖3所示。結(jié)果表明，該上下分布的第五空氣 柱16和第六空氣柱17均沿平行于第一波導(dǎo)1和第六波導(dǎo)6的方向(y軸)向上移動光子 晶體晶格常數(shù)一半的距離，即a/2，輸出第三端口 23的光功率在歸一化頻率a/A =0.352 達(dá)到最大值97%，隔離第一端口 21和第四端口 24的光功率分別都為0.01%，此時對應(yīng)光 損耗和光反射總和達(dá)到最小值2. 98% 。 本發(fā)明基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器實現(xiàn)第一端口 21到第二端口 22、第二端口 22到第三端口 23和第三端口 23到第四端口 24的單方向環(huán)行傳輸特性，針 對不同的波導(dǎo)端口分布獲得高效率傳輸和高度的光隔離效果。運用時域有限差分方法模擬 光子晶體環(huán)行器的電場強度分布圖來驗證它的工作性能，結(jié)構(gòu)周圍采用完全匹配層吸收邊 界條件，入射光為單頻的高斯連續(xù)光源。環(huán)行器的工作波長選擇為A = (1/0.352) ym，即 2. 841iim。 參照圖4，光從第一端口 21入射，由于磁光腔的旋光效應(yīng)，第一磁光腔11內(nèi)磁場 的波矢旋轉(zhuǎn)到與第三波導(dǎo)3偏離而與第二波導(dǎo)2平行的方向，結(jié)果光從第二端口 22出射， 功率約為96%，第三端口 23和第四端口 24處于隔離狀態(tài)，功率分別為1.5%和0. 0001%。 此情況僅第一磁光腔ll處于工作狀態(tài)。傳輸?shù)牡诙丝?22與隔離的第三端口 23和第四
6端口 24的光功率比值分別為18. ldB和59. 8dB。 參照圖5，光從第二端口 22入射，此時第一磁光腔11和第二磁光腔12均處于工 作狀態(tài)，最后光從第三端口 23出射，功率約為97%，第一端口 21和第四端口 24處于隔離 狀態(tài)，功率分別都為0. 01%。第一磁光腔11和第二磁光腔12左、右兩側(cè)的波導(dǎo)分別平行， 即第二波導(dǎo)2和第四波導(dǎo)4平行、第三波導(dǎo)3和第五波導(dǎo)5平行，此平行保證第一磁光腔11 和第二磁光腔12處于高效率的耦合狀態(tài)。傳輸?shù)牡谌丝?23與隔離的第一端口 21和第 四端口 24光功率的比值均為39. 9dB。 參照圖6，光從第三端口 23入射，由于磁光腔的旋光效應(yīng)，第二磁光腔12內(nèi)磁場 的波矢旋轉(zhuǎn)到與第四波導(dǎo)4偏離而與第六波導(dǎo)6平行的方向，結(jié)果光從第四端口 24出射， 功率約為97%，第一端口 21和第二端口 22處于隔離狀態(tài)，功率分別為O. 0001 %和1.5%。 此情況僅第二磁光腔12處于工作狀態(tài)。傳輸?shù)牡谒亩丝?24與隔離的第一端口 21和第二 端口 22光功率的比值分別為59. 8dB和18. ldB。 在上述實施方式中，三角對稱排列的第一空氣柱具體是指陣列中任何相鄰三個第 一空氣柱的中心連線構(gòu)成等邊三角形。 在上述實施方式中，光子晶體中的第一空氣柱至第六空氣柱、磁光材料柱的截面 可以為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形等。 在上述實施方式中，第一波導(dǎo)至第六波導(dǎo)的長度至少大于三個所述光子晶體晶格
常數(shù)，并且可以根據(jù)實際需要增加波導(dǎo)長度，環(huán)行器的單方向光環(huán)行功能不變。 在上述實施方式中，旋光效應(yīng)具體是指利用磁光材料填充光子晶體中的單個第一
空氣柱而形成點缺陷磁光腔后，磁光效應(yīng)會使點缺陷支持的本征模式產(chǎn)生相互耦合作用，
導(dǎo)致腔中磁場分布模式發(fā)生旋轉(zhuǎn)變化。 在上述實施方式中，磁光腔與波導(dǎo)銜接處設(shè)立的第二空氣柱13具備雙重作用，當(dāng) 所連接波導(dǎo)處于光傳輸狀態(tài)時，它們起到腔-波導(dǎo)的耦合作用；當(dāng)所連接波導(dǎo)處于光隔離 狀態(tài)時，它們起到腔_波導(dǎo)的隔離作用。 在上述實施方式中，靠近腔的每兩個波導(dǎo)之間設(shè)置兩個周期直徑遞增的第三空氣 柱14和第四空氣柱15，一方面可以降低波導(dǎo)之間的干擾，另一方面可以提高傳輸波導(dǎo)的效率。 在上述實施方式中，當(dāng)光從第一端口 21到第二端口 22傳輸時，僅第一磁光腔11 處于工作狀態(tài)，第一波導(dǎo)1和第二波導(dǎo)2為光傳輸狀態(tài)，而第三波導(dǎo)3、第四波導(dǎo)4、第五波 導(dǎo)5和第六波導(dǎo)6為光隔離狀態(tài)；當(dāng)光從第二端口 22到第三端口 23傳輸時，第一磁光腔 11和第二磁光腔12均處于工作狀態(tài)，第二波導(dǎo)2、第三波導(dǎo)3、第四波導(dǎo)4和第五波導(dǎo)5為 光傳輸狀態(tài)，而第一波導(dǎo)1和第六波導(dǎo)6為光隔離狀態(tài)；當(dāng)光從第三端口 23到第四端口 24 傳輸時，僅第二磁光腔12處于工作狀態(tài)，第五波導(dǎo)5和第六波導(dǎo)6為光傳輸狀態(tài)，而第一波 導(dǎo)1、第二波導(dǎo)2、第三波導(dǎo)3和第四波導(dǎo)4為光隔離狀態(tài)。該環(huán)行器的最佳工作波長為入 =a(1/0. 352) iim，即2. 841 ii m。 本發(fā)明所述的三端口光子晶體環(huán)行器并不限于上述實施方式所述，根據(jù)光子晶體 等比例縮放原理，即環(huán)行器的工作波長與光子晶體晶格常數(shù)、系統(tǒng)中的介質(zhì)背景材料尺寸、 第一空氣柱至第六空氣柱的尺寸、磁光材料柱的尺寸等參數(shù)的關(guān)系滿足正比關(guān)系，本發(fā)明 所述的三端口光子晶體環(huán)行器適用于任意電磁波波段，如微波波段、毫米波波段、太赫茲波
7段、紅外波段或可見光波段等。具體實施為給定工作波長Ap選取晶格常數(shù)^ = a(入/ 入)=0. 352 Ap其中a和A分別為以上實施例中的晶格常數(shù)和工作波長，將系統(tǒng)中的介質(zhì) 背景材料尺寸、第一空氣柱至第六空氣柱的尺寸、磁光材料柱的尺寸等參數(shù)都同比例縮放 為以上實施例中所述值的(、/A)倍。選定工作波長A工=1.550iim，該波長對應(yīng)的晶格 常數(shù)ai為0. 546 ii m，第一空氣柱的截面直徑為0. 393 y m，磁光材料柱的直徑為0. 437 y m， 第二空氣柱、第三空氣柱和第四空氣柱的直徑分別為0. 197 ii m、0. 426 y m和0. 470 y m，第 五空氣柱和第六空氣柱的直徑都為0. 393 ii m。該環(huán)行器在工作波長1. 550 y m具有單方向 環(huán)行功能從第一端口 21入射的光從第二端口 22出射，功率約為96%，第三端口 23和第 四端口 24處于隔離狀態(tài)，功率分別為1. 5%和0. 0001%，僅第一磁光腔11處于工作狀態(tài)； 從第二端口 22入射的光從第三端口 23出射，功率約為97%，第一端口 21和第四端口 24處 于隔離狀態(tài)，功率分別都為0. 01%，第一磁光腔11和第二磁光腔12均處于工作狀態(tài)；從第 三端口 23入射的光從第四端口 24出射，功率約為97%，第一端口 21和第二端口 22處于隔 離狀態(tài)，功率分別為0. 0001 %和1. 5%，僅第二磁光腔12處于工作狀態(tài)。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求范圍所做的均等變化與 修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明權(quán)利要求的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
一種基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，所述光子晶體由三角對稱排列的第一空氣柱周期分布于介質(zhì)背景材料中構(gòu)成，其特征在于包括兩個相同的第一磁光腔和第二磁光腔，以及在第一磁光腔周圍對稱分布的第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)、第三波導(dǎo)和在第二磁光腔周圍對稱分布的第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)、第六波導(dǎo)，中間連接第一磁光腔和第二磁光腔的第三波導(dǎo)和第四波導(dǎo)構(gòu)成“v”形排列，所述第二波導(dǎo)和第四波導(dǎo)、所述第三波導(dǎo)和第五波導(dǎo)分別平行；所述第一磁光腔與所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)、第三波導(dǎo)的銜接處均設(shè)立兩個第二空氣柱，所述第二磁光腔與所述第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)、第六波導(dǎo)的銜接處同樣設(shè)立兩個第二空氣柱，該第二空氣柱的直徑小于所述的第一空氣柱的直徑；靠近第一磁光腔的第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)、第一波導(dǎo)和第三波導(dǎo)以及第二波導(dǎo)和第三波導(dǎo)之間設(shè)置兩排直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，靠近第二磁光腔的第四波導(dǎo)和第五波導(dǎo)、第四波導(dǎo)和第六波導(dǎo)以及第五波導(dǎo)和第六波導(dǎo)之間同樣設(shè)置兩排直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，所述第四空氣柱的直徑大于所述第三空氣柱的直徑，第三空氣柱的直徑大于所述第一空氣柱的直徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述第三波導(dǎo)和第四波導(dǎo)連接處具有的上下位置的第五空氣柱和第六空氣柱都沿著平行于第一波導(dǎo)和第六波導(dǎo)的方向向上移動所述光子晶體的晶格常數(shù)一半的距離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述第一磁光腔和第二磁光腔均包括一磁光材料柱和六個對稱分布在該磁光材料柱周圍的第一空氣柱，該磁光材料柱是在磁光材料填充一個第一空氣柱的基礎(chǔ)上并對其施加與第一空氣柱軸線平行方向的磁場而形成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述第一波導(dǎo)至第六波導(dǎo)是利用介質(zhì)背景材料填充一列第一空氣柱而形成，并且波導(dǎo)長度至少為三個所述光子晶體晶格常數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述第一磁光腔周圍對稱分布的第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)及第三波導(dǎo)之間的相鄰夾角為120度，所述第一波導(dǎo)、第二波導(dǎo)及第三波導(dǎo)的交線匯聚于第一磁光腔中心；所述第二磁光腔周圍對稱分布的第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)及第六波導(dǎo)之間的相鄰夾角為120度，所述第四波導(dǎo)、第五波導(dǎo)及第六波導(dǎo)的交線匯聚于第二磁光腔中心。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述構(gòu)成"v"形排列的第三波導(dǎo)和第四波導(dǎo)的長度相同，并且兩波導(dǎo)之間夾角為120度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述光子晶體中的第一空氣柱至第六空氣柱以及兩個磁光材料柱的截面為圓形、三角形、四邊形、五邊形或六邊形。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述光子晶體中的第一空氣柱至第六空氣柱為低折射率材料的介質(zhì)柱。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其特征在于所述光子晶體的介質(zhì)背景材料為氮化鎵材料，所述填充第一空氣柱的磁光材料為鉍鐵石榴石材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于磁光腔耦合的光子晶體四端口環(huán)行器，其包括兩個相同的磁光腔，以及每一磁光腔周圍對稱分布的三個波導(dǎo)，其中，連接磁光腔的兩個波導(dǎo)構(gòu)成“v”形排列，從而保證兩個磁光腔左、右兩側(cè)連接的波導(dǎo)分別平行，使得磁光腔耦合時獲得高效率傳輸。本發(fā)明的環(huán)行器利用磁光腔的旋光效應(yīng)實現(xiàn)腔內(nèi)電磁場分布模式的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對不同波導(dǎo)的光傳輸和光隔離效果，獲得第一端口至第二端口、第二端口至第三端口和第三端口至第四端口的單方向光環(huán)行功能。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成等優(yōu)點，在光子晶體器件集成中具有隔離反射光信號、提高系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾饔谩?br> 文檔編號G02F1/095GK101788727SQ20091018888
公開日2010年7月28日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月14日
發(fā)明者歐陽征標(biāo), 王瓊 申請人:深圳大學(xué);歐陽征標(biāo)