磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明是一種基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用/解復用器，尤其是一種光通信波段的TE/TM模式模分復用/解復用器，涉及光通信與光信息處理的技術領域。
【背景技術】
[0002]目前，大容量數(shù)據(jù)傳輸是人們面臨的一大問題，模分復用正是解決這一問題的關鍵技術。模分復用技術是一種嶄新的光多輸入多輸出傳輸形式，利用有限的穩(wěn)定模式作為獨立信道傳遞信息，可以成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。而磁光晶體是具有磁光效應的材料，可利用磁光晶體的特殊性質(zhì)，將其應用于未來的模分復用光通信領域。模分復用光通信系統(tǒng)中關鍵器件之一是模分復用/解復用器，基于磁光效應的光子晶體模分復用/解復用器，不僅可以滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，并且其尺寸僅在微米量級，對于未來的光集成系統(tǒng)有著潛在的應用價值。
[0003]該光子晶體模分復用/解復用的機制是利用磁光晶體的磁光效應。當給磁光晶體施加外磁場時，由于磁光效應，導致磁導率發(fā)生改變，進而引起折射率的變化。對于TE模式，外磁場方向沿y方向時，因為磁場方向與TE模的磁場分量Hz方向垂直，引起周圍磁偶極子的運動，磁導率發(fā)生改變。同理，對于TM模式，只有當外磁場方向沿z軸時，磁導率才隨著磁場的改變而變化。利用不同模式受磁場控制的差異性可以實現(xiàn)基于磁光效應的光子晶體模分復用/解復用器。
[0004]基于磁光效應的光子晶體模分復用/解復用器具有以下優(yōu)勢:器件尺寸小、僅有微米量級，易于光學集成、插入損耗低，模式之間的串擾小、穩(wěn)定性和可靠性高。
[0005]二維三角晶格光子晶體模分復用/解復用器是通過在光子晶體的兩條分束波導處引入填充磁光材料TbYbBiIG的介質(zhì)柱來實現(xiàn)的。當z，y方向的外加磁場分別施加在TE與TM模式的輸出波導處時，其填充的磁光材料的磁導率會隨著磁場強度的變化而變化，使得兩條分束波導中TE，TM模式的能帶分布發(fā)生差異性的變化，使之分別位于禁帶與通帶，進而控制TE與TM模式的傳輸，實現(xiàn)了基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用/解復用器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術問題:本發(fā)明目的是提出一種基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器，利用磁光效應，實現(xiàn)了 TE，TM兩個模式之間的模分復用/解復用，增大了光波導的傳輸容量。
[0007]技術方案:為了適應高集成、大容量光通信系統(tǒng)的發(fā)展，在光波導中同時傳輸多個模式的光信號，本發(fā)明提出了一種基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器，使其能夠分離兩個模式，具有實際的應用價值。傳統(tǒng)的光子晶體波導器件僅僅能進行一個模式的傳輸，譬如基于微腔親合的波分復用系統(tǒng)；而在光子晶體偏振分束器中，雖然已經(jīng)有關于TE/TM模式的偏振分束設計，但其不具備分束傳輸通道以及理想的性能參數(shù)，限制了實際應用。本專利采用兩種方式構成波導:一是移除介質(zhì)柱形成線缺陷構成波導；二是引入填充磁光材料TbYbBiIG的介質(zhì)柱形成波導。再輔以選取合適的波導長度及寬度，從而實現(xiàn)高效的基于磁光效應的光子晶體模分復用/解復用器，其TE和TM模式的透射率均高于92%，信道隔離度分別為19.7dB和42.1dB0
[0008]基于磁光效應的光子晶體模分復用與解復用器包括二維三角晶格介質(zhì)柱型光子晶體、輸入主波導區(qū)、TE模輸出波導區(qū)、TM模輸出波導區(qū)。TE模輸出波導和TM模輸出波導分別位于主輸入波導的右側和上側，分別在TE，TM模輸出波導處施加沿z，y方向的外加磁場。外加磁場由通電螺旋線圈提供。在光子晶體平板上下端面設置磁極，在TE模輸出波導處施加沿z軸的可調(diào)磁場Bz，在TM模輸出波導處施加沿y軸的可調(diào)磁場By。
[0009]該模分復用與解復用器包括二維三角晶格硅光子晶體、輸入主波導區(qū)、TE模輸出波導區(qū)、TM模輸出波導區(qū)；其中，二維三角晶格光子晶體是沿X-Z平面周期性分布的介質(zhì)柱型硅光子晶體；在二維三角晶格硅光子晶體中移除一排介質(zhì)柱構成輸入主波導區(qū)；在二維三角晶格硅光子晶體中引入一排摻Bi復合稀土鐵石榴石單晶TbYbBiIG介質(zhì)柱構成TE模輸出波導區(qū)；在二維三角晶格硅光子晶體中引入三排TbYbBiIG介質(zhì)柱形成TM模輸出波導區(qū)；TE模輸出波導區(qū)與TM模輸出波導區(qū)分別位于輸入主波導區(qū)的右側與上側，這一區(qū)域為模式復用與解復用區(qū)域。
[0010]所述的模分復用與解復用器通過控制外加磁場的方向與磁場強度，使得模分復用與解復用區(qū)域發(fā)生磁光效應，調(diào)節(jié)所填充磁控可調(diào)諧材料TbYbBiIG的磁導率，改變TE和TM模式的能帶分布，從而實現(xiàn)TE和TM模式的模分復用與解復用。
[0011]該模分復用/解復用器的解復用過程是:兩束1.55 μ m波段的TE，TM光同時沿著主波導入射，TE模輸出波導受外加磁場Bz控制，對于TE模式，其介質(zhì)柱磁導率發(fā)生改變，此時TE光位于通帶；而對于TM模式磁導率不發(fā)生改變，此時TM模位于禁帶。因此，僅有1.55 ym的TE光能夠通過TE模式輸出波導輸出。同理，TM模輸出波導受外加磁場By控制，僅對于TM光，其介質(zhì)柱的磁導率發(fā)生變化，而對于TE模式磁導率不發(fā)生改變，即只有TM光可通過TM模輸出波導傳輸。這樣便實現(xiàn)了兩種模式的解復用，復用過程是解復用的逆過程。
[0012]有益效果:本發(fā)明提出的一種磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器，可以實現(xiàn)TE/TM模式的復用/解復用。在具有較寬完全帶隙的二維三角晶格光子晶體中，引入主波導區(qū)可以實現(xiàn)1.55 μπι波段的TE與TM光同時傳輸，引入填充磁光材料TbYbBiIG的介質(zhì)柱構成模分解復用波導可以實現(xiàn)TE與TM光的模分解復用，其TE和TM模式的透射率均高于92%，信道隔離度分別為19.7dB和42.ldB。同時，填充TbYbBiIG材料的磁光晶體在近紅外波段具有法拉第增強效應和很小的光吸收損耗，性能穩(wěn)定。因此，該器件能夠很好的滿足未來高集成、大容量的模分復用光通信系統(tǒng)的需求。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明提出的基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器的結構圖，圖1中:二維三角晶格介質(zhì)柱型光子晶體1、輸入主波導區(qū)2、TE模輸出波導區(qū)
3、TM模輸出波導區(qū)4。
[0014]圖2a為解復用時的TE模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖，
[0015]圖2b為解復用時的TM模光束的傳播時域穩(wěn)態(tài)圖。
【具體實施方式】
[0016]磁光效應的光子晶體模分復用與解復用器包括二維三角晶格光子晶體1、輸入主波導區(qū)2、TE模輸出波導區(qū)3、TM模輸出波導區(qū)4 ;其中，二維三角晶格光子晶體I是沿X-Z平面周期性分布的。輸入主波導區(qū)2是通過移除一排介質(zhì)柱構成的，TE模輸出波導區(qū)3是通過引入I X 17個TbYbBiIG介質(zhì)柱柱構成的，TM模輸出波導區(qū)4是通過引入3X11個TbYbBiIG介質(zhì)柱構成的。在輸入主波導區(qū)2右側引入TE模輸出波導區(qū)3，在上側引入TM模輸出波導區(qū)4。本發(fā)明提出的基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用/解復用器傳輸波長為1.55 μπι。
[0017]具體參數(shù)為:二維三角晶格光子晶體中的介質(zhì)柱材料為硅(η = 3.4)，背景材料為空氣(η = I)，晶格常數(shù)S1= 1.309 μ m，方形介質(zhì)柱邊長width i= 0.44 μ m，旋轉角度Θ =49°，TE模輸出波導中TbYbBiIG介質(zhì)柱折射率n2= 2.3，尺寸width 2= 0.44 μ m，晶格常數(shù)&2= 0.92 μ m，而TM模輸出波導中TbYbBiIG介質(zhì)柱的尺寸和晶格常數(shù)均與硅介質(zhì)柱相同。在光子晶體平板上下端面設置磁極，在TM模輸出波導處施加沿鐵氧體柱y軸方向的可調(diào)磁場By，在TE模輸出波導處施加沿Z軸方向的可調(diào)磁場Bz。當沿By和B z的磁場強度均為10.5T時，由于磁光材料TbYbBiIG產(chǎn)生磁光效應，使得磁導率隨著外加磁場強度的變化而變化，導致折射率發(fā)生相應變化。在TE模輸出波導中，TM模式對應的磁導率變?yōu)?.19，即折射率變?yōu)?.4，而TE模式對應的折射率不變?yōu)?.3。同理，在TM模輸出波導中，TM模式對應的折射率不變?yōu)?.3，而TE模式對應的折射率變?yōu)?.4。
[0018]基于磁光效應的光子晶體模分解復用器的工作原理如下:線缺陷的引入，實質(zhì)是為1.55 μπι波段的TE與TM光傳輸提供主傳輸波導，使頻率落在光子完全帶隙范圍內(nèi)的光波能夠通過線缺陷。填充磁光材料TbYbBiIG的模分解復用波導在外加磁場的控制下產(chǎn)生磁光效應，其磁導率隨著磁場強度的變化而變化，引起折射率的變化，進而改變了 TE與TM模式分別在TE，TM模式輸出波導中的能帶分布狀態(tài)，通過控制這兩個模式的傳輸可以實現(xiàn)ΤΕ/ΤΜ模式的解復用。
[0019]解復用過程如下:兩束1.55 μπι波段的TE與TM光同時沿著輸入主波導2入射時:
[0020](I)當TE模輸出波導區(qū)3處施加沿ζ方向的外加磁場時，TM模式對應的折射率變?yōu)?.4，而TE模式對應的折射率仍為2.3。此時TE模位于通帶，TM模位于禁帶，因此TE光可通過TE模輸出波導區(qū)3傳輸，如圖2 (a)所示。此時TE模的透射率為93%，信道隔離度為 19.7dBo
[0021](2)當TM模輸出波導區(qū)3處施加沿y方向的外加磁場時，TE模式對應的折射率變?yōu)?.4，而TM模式對應的折射率仍為2.3。此時TM模位于通帶，TE模位于禁帶，因此TM光可通過TM模輸出波導區(qū)4傳輸，如圖2(b)所示。此時TM模的透射率為92.4%，信道隔離度為 42.1dBo
【主權項】
1.一種磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器，其特征在于該模分復用與解復用器包括二維三角晶格硅光子晶體(I)、輸入主波導區(qū)(2)、TE模輸出波導區(qū)(3)、TM模輸出波導區(qū)(4);其中，二維三角晶格光子晶體(I)是沿X-Z平面周期性分布的介質(zhì)柱型硅光子晶體；在二維三角晶格硅光子晶體(I)中移除一排介質(zhì)柱構成輸入主波導區(qū)(2);在二維三角晶格硅光子晶體(I)中引入一排摻Bi復合稀土鐵石榴石單晶TbYbBiIG介質(zhì)柱構成TE模輸出波導區(qū)(3);在二維三角晶格硅光子晶體⑴中引入三排TbYbBiIG介質(zhì)柱形成TM模輸出波導區(qū)(4) ;TE模輸出波導區(qū)與TM模輸出波導區(qū)分別位于輸入主波導區(qū)的右側與上側，這一區(qū)域為模式復用與解復用區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用與解復用器，其特征在于:所述的模分復用與解復用器通過控制外加磁場的方向與磁場強度，使得模分復用與解復用區(qū)域發(fā)生磁光效應，調(diào)節(jié)所填充磁控可調(diào)諧材料TbYbBi IG的磁導率，改變TE和TM模式的能帶分布，從而實現(xiàn)TE和TM模式的模分復用與解復用。
【專利摘要】本發(fā)明是一種基于磁光效應的二維三角晶格光子晶體模分復用/解復用器。其中二維三角晶格介質(zhì)柱型光子晶體(1)是由方形介質(zhì)柱按三角晶格排列，沿X-Z平面周期性分布的光子晶體，介質(zhì)柱材料為硅，背景材料為空氣；輸入主波導區(qū)(2)由移除一排介質(zhì)柱構成，TE模輸出波導區(qū)(3)由一排摻Bi復合稀土鐵石榴石單晶(TbYbBiIG)材料介質(zhì)柱構成,而TM模輸出波導區(qū)(4)由三排填充磁光TbYbBiIG材料的介質(zhì)柱形成。TE模輸出波導區(qū)與TM模輸出波導區(qū)分別位于輸入主波導區(qū)的右側與上側，這一區(qū)域為模式解復用區(qū)域。
【IPC分類】G02F1-09
【公開號】CN104698606
【申請?zhí)枴緾N201510106442
【發(fā)明人】陳鶴鳴, 周雯, 莊煜陽, 季珂
【申請人】南京郵電大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月11日