本發(fā)明涉及一種磁光材料、表面波和光二極管，具體涉及一種無泄漏低損磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)。
背景技術(shù)：
：拐彎波導(dǎo)是一種作為變換光路用的光器件，其在光波導(dǎo)器件中占據(jù)重要的地位。由于光波導(dǎo)中光束傳播方向的改變、光束傳輸軸位移和降低器件體積的需要，光波導(dǎo)中的彎曲是必需的。波導(dǎo)彎曲會(huì)引起波導(dǎo)材料在光的傳輸方向上光學(xué)特性分布的變化，使得拐彎波導(dǎo)具備較高的損耗。拐彎波導(dǎo)領(lǐng)域已有廣泛的研究，其中弧形轉(zhuǎn)向型拐彎波導(dǎo)是目前此方面研究的主要內(nèi)容。但即使是這種類型的波導(dǎo)，其所存在的彎曲損耗和過渡損耗仍然嚴(yán)重制約了傳輸效率。此外結(jié)構(gòu)缺陷等也會(huì)給波導(dǎo)帶來其他方面的損耗。光二極管和隔離器是一種只允許光往一個(gè)方向傳播的光學(xué)器件，應(yīng)用于阻止不必要的光反饋。傳統(tǒng)的光二極管和隔離器的主元件是法拉第旋光器，應(yīng)用了法拉第效應(yīng)(磁光效應(yīng))作為其工作原理。傳統(tǒng)的法拉第隔離器由起偏器、法拉第旋光器和檢偏器組成，這種器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常被應(yīng)用在自由空間的光系統(tǒng)中。對于集成光路，光纖或波導(dǎo)等集成光器件都是非偏振維持系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致偏振角的損耗，因而不適用法拉第隔離器。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單有效，低損耗，光傳輸效率高，體積小，便于集成的無泄漏低損磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明無泄漏低損磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)包括一個(gè)光輸入端1、一個(gè)光輸出端2、一個(gè)磁光薄膜3、背景介質(zhì)4、兩個(gè)吸波層5、6和一個(gè)偏置磁場；所述單向拐彎波導(dǎo)的端口1為光輸入端、其端口2為光輸出端；所述磁光薄膜3設(shè)置于背景介質(zhì)中；所述磁光薄膜3采用磁光材料；所述磁光薄膜3和背景介質(zhì)4為任意角度彎曲形；所述磁光薄膜3處設(shè)置有偏置磁場，且方向可控；所述磁光薄膜3彎曲部分為圓環(huán)形狀；所述磁光材料與所述背景介質(zhì)4的表面處為磁表面快波。所述磁光材料與所述背景介質(zhì)4的分界面構(gòu)成光波導(dǎo)。所述磁光薄膜3和所述背景介質(zhì)4通過任意角度彎曲形與光輸入端和光輸出端連接。所述磁光薄膜3和背景介質(zhì)4結(jié)構(gòu)波導(dǎo)為平直波導(dǎo)。所述磁光材料為磁光玻璃或者各種稀土元素?fù)诫s的石榴石和稀土-過渡金屬合金薄膜等材料。所述背景介質(zhì)4為普通介質(zhì)材料或者空氣。所述任意角度彎曲形為30度拐彎形狀、45度拐彎形狀、60度拐彎形狀、90度拐彎形狀、120度拐彎形狀、135度拐彎形狀、150度拐彎形狀或180度拐彎形狀。所述吸波層5、6為相同或者不同的吸波材料；所述吸波材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨熱塑性材料混合體、硼纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨纖維環(huán)氧樹脂混合體、環(huán)氧聚硫、硅橡膠、尿烷、氟彈性體、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳砜或者聚乙烯亞胺。所述吸波層5、6均分別與所述平直波導(dǎo)表面的距離為1/4至1/2波長；所述吸波層5、6的厚度均分別不小于1/4波長。所述偏置磁場由電流方向可控電磁鐵或永久磁鐵產(chǎn)生，永久磁鐵能旋轉(zhuǎn)；所述方向可控拐彎波導(dǎo)單向拐彎波導(dǎo)由磁光材料薄膜波導(dǎo)構(gòu)成；所述單向拐彎波導(dǎo)的工作模式為TE模式。本發(fā)明適合應(yīng)用于大規(guī)模光路集成，具有廣泛的應(yīng)用前景。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極效果。1.結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)。2.體積小，便于集成。3.磁表面波具備對結(jié)構(gòu)缺陷的免疫特性，具有超低損耗、超高傳輸效率，被廣泛應(yīng)用到各種光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)中。附圖說明圖1為無泄漏低損磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。圖中：光輸入端口1光輸出端口2磁光薄膜3背景介質(zhì)4第一吸波層5第二吸波層6偏置磁場⊙H0(外)偏置磁場(里)磁光薄膜厚度w吸波層與波導(dǎo)之間的距離w1圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r圓環(huán)的外圓弧半徑r+w圖2為無泄漏磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)導(dǎo)通的第一種工作原理圖。圖3為無泄漏磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)導(dǎo)通的第二種工作原理圖。圖4為磁光薄膜單向任意拐彎波導(dǎo)的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第一種實(shí)施例曲線圖。圖5為磁光薄膜單向任意拐彎波導(dǎo)的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第二種實(shí)施例曲線圖。圖6為磁光薄膜單向任意拐彎波導(dǎo)的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第三種實(shí)施例曲線圖。圖7為磁光薄膜單向任意拐彎波導(dǎo)的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第四種實(shí)施例曲線圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本發(fā)明無泄漏低損磁光薄膜磁表面快模可控單向任意拐彎波導(dǎo)包括一個(gè)光輸入端1、一個(gè)光輸出端2、一個(gè)磁光薄膜3、背景介質(zhì)4、第一吸波層5、第二吸波層6和一個(gè)偏置磁場H0，單向拐彎波導(dǎo)的工作模式為TE模式，單向拐彎波導(dǎo)由磁光材料薄膜波導(dǎo)構(gòu)成，磁光薄膜”與背景介質(zhì)4交界面為光能量主要集中的區(qū)域，磁光薄膜3設(shè)置于背景介質(zhì)4中，磁光薄膜3采用磁光材料，即磁光材料薄膜；磁光材料為磁光玻璃或者各種稀土元素?fù)诫s的石榴石和稀土-過渡金屬合金薄膜等材料；磁光薄膜3彎曲部分為圓環(huán)形狀，圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑為r，其外圓弧半徑則為r+w。磁光材料薄膜3和背景介質(zhì)4為任意角度彎曲形，任意角度彎曲的形狀為圓弧形(弧形轉(zhuǎn)向型拐彎波導(dǎo))，任意彎曲角度可以為0度至180度之間的角度，單向拐彎波導(dǎo)的彎曲角度也可以采用：0度至180度之間的角度；例如：30度、45度、60度、90度、120度、135度、150度和180度。其中圖1(a)單向拐彎角度為30度、圖1(b)單向拐彎角度為45度、圖1(c)單向拐彎角度為60度、圖1(d)、(i)單向拐彎角度為90度、圖1(e)單向拐彎角度為120度、圖1(f)單向拐彎角度為135度、圖1(g)單向拐彎角度為150度、和圖1(h)單向拐彎角度為180度。彎曲部分的長短取決于拐彎角度。例如，當(dāng)拐彎角度為45度時(shí)，為八分之一個(gè)圓環(huán)；當(dāng)拐彎角度為90度時(shí)，為四分之一個(gè)圓環(huán)；當(dāng)拐彎角度為180度時(shí)，為半個(gè)圓環(huán)等等，以此類推。由于本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)滿足對稱守恒，也就是其對應(yīng)的鏡像結(jié)構(gòu)也同樣可以有效工作，因而圖1(d)和(i)兩者結(jié)構(gòu)鏡像對稱，具備同樣的工作特性。磁光材料3與背景介質(zhì)4的表面處為磁表面快波，磁光材料薄膜3和背景介質(zhì)4結(jié)構(gòu)為平直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，磁光材料3與背景介質(zhì)4的分界面構(gòu)成光波導(dǎo)，光波導(dǎo)單向傳輸光信號，用作光二極管或隔離器；磁光材料薄膜3和背景介質(zhì)4通過任意角度彎曲形與光輸入端口1和光輸出端口2連接；背景介質(zhì)4采用普通介質(zhì)材料或者空氣；第一吸波層5、第二吸波層6吸波層為相同或者不同的吸波材料，吸波材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨熱塑性材料混合體、硼纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨纖維環(huán)氧樹脂混合體、環(huán)氧聚硫、硅橡膠、尿烷、氟彈性體、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳砜或者聚乙烯亞胺；第一吸波層5和第二吸波層6均分別與平直波導(dǎo)表面的距離為1/4至1/2波長；第一吸波層5和第二吸波層的厚度均分別不小于1/4波長。磁光材料薄膜3處設(shè)置有偏置磁場，即偏置磁場⊙H0(外)和偏置磁場(里)，且方向可控，外加磁場H0由電流方向可控的電磁鐵產(chǎn)生或者由能旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵提供，所以可以控制電流方向來改變波導(dǎo)的導(dǎo)通方向，或者通過旋轉(zhuǎn)永久磁鐵來改變。偏置磁場方向H0垂直于紙面向外時(shí)，方向可控單向拐彎波導(dǎo)的端口1為光輸入端口，其端口2為光輸出端口；偏置磁場方向垂直紙面向里時(shí)，方向可控單向拐彎波導(dǎo)的端口2為光輸入端口，其端口1為光輸出端口。磁光材料-介質(zhì)界面所產(chǎn)生的磁表面波是一種類似于金屬表面等離子激元(SPP)的現(xiàn)象。磁光材料在偏置靜磁場的作用下，磁導(dǎo)率為張量形式，同時(shí)，在一定的光波段范圍內(nèi)，其有效折射率為負(fù)值。因而，磁光材料的表面能夠產(chǎn)生一種導(dǎo)波，且具有單向傳播的性能，稱為磁表面波(表面磁極化子波，SMP)。本發(fā)明為無泄漏低損磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)，該器件是基于磁光材料所具有的非互易性，結(jié)合磁光材料-介質(zhì)界面能夠產(chǎn)生表面波的特性所研究出的具有優(yōu)異性能的單向?qū)ü諒澆▽?dǎo)，并且其導(dǎo)通方向可控。將磁光材料薄膜設(shè)置于背景介質(zhì)中和兩個(gè)吸波層組合，利用均勻磁光材料-介質(zhì)界面產(chǎn)生的磁表面快波來進(jìn)行光的單向彎曲傳輸，利用電流方向可控的電磁鐵來控制波導(dǎo)的導(dǎo)通方向，拐彎角度為任意值，吸波層吸收無用波，消除光路干擾。本發(fā)明技術(shù)方案是基于磁光材料所具有的光非互易性和磁光材料-介質(zhì)界面所具有獨(dú)特的可傳導(dǎo)表面波特性，實(shí)現(xiàn)方向可控拐彎波導(dǎo)的設(shè)計(jì)。該技術(shù)方案的基本原理如下：磁光材料是一種具有磁各向異性的材料，由外加靜磁場導(dǎo)致磁光材料內(nèi)部的磁偶極子按同一方向排列，進(jìn)而產(chǎn)生磁偶極矩。磁偶極矩將和光信號發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生光的非互易性傳輸。在方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲獾钠么艌鯤0的作用下，磁光材料的磁導(dǎo)率張量為：[μ1]=μriμκ0-iμκμr000μ0,---(1)]]>磁導(dǎo)率張量的矩陣元由以下方程組給出：μr=μ0(1+ωm(ω0-iαω)(ω0-iαω)2-ω2),μκ=μ0ωmω(ω0-iαω)2-ω2,ω0=μ0γH0,ωm=μ0γMs,---(2)]]>其中，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，γ為旋磁比，H0為外加磁場，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，ω為工作頻率，α為損耗系數(shù)。若改變偏置磁場的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮瑒tH0和Ms將改變符號。磁光材料-介質(zhì)界面所產(chǎn)生的磁表面波則可以根據(jù)磁光材料的磁導(dǎo)率張量和麥克斯韋方程組求解得出。滿足表面波(為TE波)在界面存在的電場和磁場應(yīng)當(dāng)有如下的形式：Ei=exi00ei(kzz+kyiy-ωt),Hi=0hyihziei(kzz+kyiy-ωi)---(3)]]>其中i＝1代表磁光材料區(qū)域，i＝2代表介質(zhì)區(qū)域。代入麥克斯韋方程組：▿×Ei=-j∂Exi∂z-k∂Exi∂y=-∂Bi∂t,▿×Hi=-∂Di∂t,---(4)]]>再根據(jù)本構(gòu)關(guān)系式和邊界條件，可得出關(guān)于磁表面波的波矢kz的超越方程：μeμ0ω2μ0ϵ0-kz2+ω2μeϵ1-kz2-jμkμrkz=0,---(5)]]>其中，為磁光材料的有效磁導(dǎo)率。此超越方程可以由數(shù)值解法求解，最終得到kz的值。也可從方程看出，由于方程包含μκkz的項(xiàng)，所以，磁表面波具有非互易性(單向傳播)?？梢?，在磁光材料薄膜3處加入偏置靜磁場，并使用普通介質(zhì)材料或空氣作為背景材料，那么將構(gòu)成有效的方向可控拐彎波導(dǎo)。并且由于磁表面波(SMP)的特性，拐彎波導(dǎo)在理論上由彎曲結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的損耗非常低。如圖2所示，采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，背景介質(zhì)為空氣(n0＝1)，偏置磁場大小為900Oe，磁光材料薄膜厚度w＝5mm，第一吸波層與5和第一吸波層6與波導(dǎo)之間的距離均分別為w1＝5mm，圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r＝30mm，器件的工作頻率f由磁光材料和介質(zhì)的介電常數(shù)ε1，ε2和磁導(dǎo)率[μ1]，μ2所決定，工作頻率為f＝6GHz，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4，拐彎角度為90度。當(dāng)外加磁場方向垂直紙面向外時(shí)，光波從端口1輸入時(shí)，在磁光材料-介質(zhì)界面產(chǎn)生單向正向傳輸?shù)拇疟砻娌?，最后從端?輸出；當(dāng)光波從端口2輸入時(shí)，由于磁表面波的非互易性導(dǎo)致光波不能夠在器件里面反向傳輸，從而無法從端口1輸出，光能量已全部在端口2處被阻擋。同時(shí)可以看到，光波能很好地被局限在磁光薄膜拐彎波導(dǎo)中，損耗值非常低。拐彎波導(dǎo)的導(dǎo)通方向由外加磁場的方向所決定，如圖3所示，采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，背景介質(zhì)為空氣(n0＝1)，偏置磁場大小為900Oe，方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，磁光薄膜厚度w＝5mm，第一吸波層5、第二吸波層6均分別與波導(dǎo)之間的距離為w1＝5mm，圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r＝30mm，器件的工作頻率f由磁光材料和介質(zhì)的介電常數(shù)ε1，ε2和磁導(dǎo)率[μ1]，μ2所決定，工作頻率為f＝6GHz，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4，拐彎角度為90°。偏置磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，拐彎波?dǎo)的導(dǎo)通方向是相反的。當(dāng)光波從端口2輸入時(shí)，能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波，繼而從端口1輸出；當(dāng)光波從端口1輸入時(shí)，由于器件的非互易性導(dǎo)致其內(nèi)部無法傳播反向的光波，端口2沒有任何光輸出，光能量已全部在端口1處被阻擋。本發(fā)明器件的低損磁光薄膜磁表面快?？煽貑蜗蛉我夤諒澆▽?dǎo)采用磁光材料設(shè)置于普通介質(zhì)材料中，其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)，例如圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r和介質(zhì)層厚度w可靈活地根據(jù)工作波長和實(shí)際需求進(jìn)行選擇。改變尺寸對器件性能沒有大的影響。下面結(jié)合附圖給出四個(gè)實(shí)施例，在實(shí)施例中采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，偏置磁場由電流方向可控的電磁鐵產(chǎn)生，大小為900Oe，方向?qū)Q定拐彎波導(dǎo)的導(dǎo)通方向，介質(zhì)為空氣(n0＝1)，磁光薄膜厚度w＝5mm，第一吸波層5、第二吸波層6均分別與波導(dǎo)之間的距離為w1＝5mm，圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r＝60mm，器件的工作頻率f由磁光材料和介質(zhì)的介電常數(shù)ε1，ε2和磁導(dǎo)率[μ1]，μ2所決定，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4。實(shí)施例1參照圖1(b)，方向可控拐彎波導(dǎo)由磁光薄膜波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為45°。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料所加磁場方向垂直紙面向外，拐彎波導(dǎo)將從端口1到端口2導(dǎo)通；相反，控制磁場方向垂直紙面向里，拐彎波導(dǎo)將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。參照圖4，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.11GHz～7.38GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為28.446dB，正向傳輸插入損耗為0.0664dB。實(shí)施例2參照圖1(d)和(i)，方向可控拐彎波導(dǎo)由磁光薄膜波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為90°。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料所加磁場方向垂直紙面向外，拐彎波導(dǎo)將從端口1到端口2導(dǎo)通；相反，控制磁場方向垂直紙面向里，拐彎波導(dǎo)將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。參照圖5，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.00GHz～7.40GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為31.993dB，正向傳輸插入損耗為0.0163dB。實(shí)施例3參照圖1(f)，方向可控拐彎波導(dǎo)由磁光薄膜波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為135°。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料所加磁場方向垂直紙面向外，拐彎波導(dǎo)將從端口1到端口2導(dǎo)通；相反，控制磁場方向垂直紙面向里，拐彎波導(dǎo)將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。參照圖6，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.06GHz～7.40GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為27.447dB，正向傳輸插入損耗為0.0490dB。實(shí)施例4參照圖1(h)，方向可控拐彎波導(dǎo)由磁光薄膜波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為180°。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料所加磁場方向垂直紙面向外，拐彎波導(dǎo)將從端口1到端口2導(dǎo)通；相反，控制磁場方向垂直紙面向里，拐彎波導(dǎo)將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。參照圖7，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.00GHz～7.39GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為35.752dB，正向傳輸插入損耗為0.0383dB。由圖4、圖5、圖6和圖7不同拐彎角度的磁光薄膜磁表面快模單向拐彎波導(dǎo)的傳輸效率曲線圖可以得到磁光薄膜拐彎波導(dǎo)所傳輸磁表面快波的光頻率范圍，即單向拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍。從結(jié)果可知，本發(fā)明低損磁光薄膜磁表面快波模可控單向任意拐彎波導(dǎo)是能夠有效工作的。以上所述本發(fā)明在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明限制。當(dāng)前第1頁1 2 3