光子晶體t型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器，尤其涉及一種光子晶體Τ型波導(dǎo)直角 輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的占空比可調(diào)及互為邏輯非的雙路光學(xué)時鐘信號發(fā)生器應(yīng)用的是幾何光學(xué) 原理，因此體積都比較大，無法用于光路集成中。磁光材料與新型光子晶體的結(jié)合提出了許 多光子器件，其最主要的性質(zhì)是電磁波在偏置磁場下表現(xiàn)的旋磁非互易性，使磁性光子晶 體不僅具有旋光特性，還有著更大的傳輸帶寬和更高的傳播效率。以光子晶體為基礎(chǔ)可以 制作微小的器件，包括雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器。雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的光 子晶體波導(dǎo)光路一般在光子晶體中引入線缺陷來構(gòu)建。光學(xué)時鐘是光通信、光學(xué)邏輯器件、 光學(xué)信息處理系統(tǒng)、光學(xué)計算的重要部件，具有廣泛應(yīng)用價值，緊湊型光學(xué)時鐘發(fā)生器是集 成廣利芯片的重要部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)體積小，高效短程，便于集 成的光子晶體Τ型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器。
[0004] 本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明光子晶體Τ型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器，包括一個具有 ΤΕ禁帶的光子晶體Τ型波導(dǎo);所述發(fā)生器還包括一個輸入端1、兩個輸出端2和3、背景硅介質(zhì) 柱4、等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5和缺陷介質(zhì)柱6,該發(fā)生器還包括一個提供偏置磁場的電 磁鐵7和一個矩形波電流源9;所述光子晶體Τ型波導(dǎo)的左端為輸入端1;所述輸出端2和輸出 端3分別位于光子晶體Τ型波導(dǎo)的右端和上端;所述缺陷介質(zhì)柱6位于Τ型波導(dǎo)中心交叉處； 所述4個等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5分別位于Τ型波導(dǎo)交叉的四個拐角處;所述光子晶體 波導(dǎo)由端口 1輸入ΤΕ光，再從端口 2和端口 3輸出兩路相位相反的光學(xué)時鐘信號。
[0006] 所述發(fā)生器進一步包括導(dǎo)線8,所述電磁鐵7的一端通過導(dǎo)線8與矩形波電流源9的 一端相連接;所述電磁鐵7提供的偏置磁場的方向隨時間做周期變化。
[0007] 所述光子晶體為二維正方晶格光子晶體。
[0008] 所述光子晶體由高折射率介質(zhì)材料和低折射率材料組成，所述高折射率介質(zhì)材料 為硅或折射率大于2的介質(zhì);所述低折射率介質(zhì)為空氣或折射率小于1.4的介質(zhì)。
[0009] 所述Τ型波導(dǎo)為光子晶體中移除中間一橫排和中間一豎排介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)。
[0010] 所述τ型波導(dǎo)交叉拐角處的4個背景介質(zhì)柱4分別刪除一個角以形成等腰直角三角 形缺陷介質(zhì)柱，該等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5為三角柱型。
[0011] 所述背景硅介質(zhì)柱4的形狀為正方形。
[0012]所述正方形娃介質(zhì)柱以介質(zhì)柱軸線ζ軸方向逆時針旋轉(zhuǎn)41度。
[0013]所述缺陷介質(zhì)柱6為鐵氧體方柱，其形狀為正方形，所述鐵氧體方柱的磁導(dǎo)率為各 向異性，且受偏置磁場的控制，偏置磁場方向沿著鐵氧體方柱的軸線方向。
[0014] 所述端口 2與端口 3成直角布局。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點：
[0016] (1)結(jié)構(gòu)體積小，時間響應(yīng)快，光傳輸效率高，適合大規(guī)模光路集成；
[0017] (2)可以短程高效地實現(xiàn)TE光雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的功能，便于集成，具 有極大的實用價值；
[0018] (3)應(yīng)用光子晶體可等比例縮放的特性，通過等比例改變晶格常數(shù)的方法，可以實 現(xiàn)不同波長雙路反相時鐘信號的產(chǎn)生；
[0019] (4)高對比度、高隔離度，同時還具有較寬的工作波長范圍，可以允許有一定頻譜 寬度的脈沖，或高斯光，或不同波長的光工作，或多個波長的光同時工作，具有實用意義。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的一種 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖中：輸入端1輸出端2輸出端3背景娃介質(zhì)柱4等腰直角三角形缺陷介質(zhì) 柱5缺陷介質(zhì)柱6
[0022] 圖2是本發(fā)明的光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器另一種 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖中：電磁鐵線圈7導(dǎo)線8矩形波電流源9
[0024] 圖3是本發(fā)明光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參 數(shù)分布圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的光學(xué)時 鐘信號波形圖。
[0026] 圖5是實施例1中光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器禁帶頻 率的邏輯對比度圖.
[0027] 圖6是實施例2中光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器禁帶頻 率的邏輯對比度圖。
[0028] 圖7是實施例3中光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器禁帶頻 率的邏輯對比度圖。
[0029] 圖8是本發(fā)明光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的光場分 布示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明光子晶體T型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器的結(jié) 構(gòu)示意圖（刪除了偏置電路和偏置線圈），包括一個具有TE禁帶的光子晶體T型波導(dǎo)，該發(fā)生 器還包括一個輸入端1、兩個輸出端2和3、背景硅介質(zhì)柱4、等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5和 缺陷介質(zhì)柱6;本器件初始信號光從左方端口 1入射，端口 2輸出光波，端口 3隔離光波;端口 2 和端口 3分別位于光子晶體T型波導(dǎo)的右端和上端，該端口 2和端口 3成直角布局;光子晶體 波導(dǎo)由端口 1輸入TE光，再從端口 2、3輸出兩路相位相反的光學(xué)時鐘信號。背景娃介質(zhì)柱4， 其形狀為方形，光軸方向垂直紙面向外，等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5形狀為，T型波導(dǎo)交叉 拐角處的背景介質(zhì)柱4刪除一個角后所形成，為三角柱型，4個等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5 分別位于Τ型波導(dǎo)交叉的四個拐角處，光軸方向與背景介質(zhì)柱相同，缺陷介質(zhì)柱6的形狀為 正方形，其位于Τ型波導(dǎo)中心交叉處，光軸方向垂直紙面向外。缺陷介質(zhì)柱6為鐵氧體方柱，） 該鐵氧體方柱的磁導(dǎo)率為各向異性，且受偏置磁場的控制，偏置磁場方向沿著鐵氧體方柱 的軸線方向。如圖2所示，本發(fā)明的光子晶體Τ型波導(dǎo)直角輸出體雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā) 生器的結(jié)構(gòu)示意圖（含有偏置電路和偏置線圈），發(fā)生器包括一個提供偏置磁場的電磁鐵7 (電磁鐵線圈）和一個矩形波電流源9,該發(fā)生器還包括導(dǎo)線(8)，電磁鐵7的一端通過導(dǎo)線8 與矩形波電流源9的一端相連接;電磁鐵7的另一端與矩形波電流源9的另一端相連接，該電 磁鐵7提供的偏置磁場的方向隨時間做周期變化;本發(fā)明發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖采用笛卡爾 直角坐標(biāo)系：χ軸正方向為水平向右;y軸正方向為在紙面內(nèi)豎直向上；ζ軸正方向為垂直于 紙面向外。
[0031]如圖3所示，本器件的相關(guān)參數(shù)為：
[0032] di = a(晶格常數(shù)）
[0033] d2 = 0.3a(方形娃柱邊長）
[0034] d3 = 0.2817a(方形缺陷柱邊長）
[0035] d4=0.3a(等腰直角三角形缺陷柱腰長）
[0036] d5=l .2997a(等腰直角三角形缺陷柱斜邊到方形缺陷柱中心的距離）
[0037] d6=l.577a(波導(dǎo)寬長）
[0038]本發(fā)明光子晶體為正方晶格，晶格常數(shù)為a，介質(zhì)柱邊長為0.3a，在光子晶體正方 形硅介質(zhì)柱參考介質(zhì)柱軸線方向（ζ軸)逆時針旋轉(zhuǎn)41度時，采用平面波展開法得到光子晶 體中TE禁帶結(jié)構(gòu)，光子TE禁帶為0.3150至0.4548( ω a/23ic)，其中間的任何頻率的光波將被 限制在波導(dǎo)中，正方晶格介質(zhì)柱參考介質(zhì)柱軸線方向（ζ軸)逆時針旋轉(zhuǎn)41度后，獲得了更大 更寬的禁帶范圍。
[0039] 本發(fā)明所使用硅介質(zhì)波導(dǎo)需要刪除一行和一列介質(zhì)柱而形成導(dǎo)波波導(dǎo)。波導(dǎo)平面 垂直于光子晶體中的介質(zhì)柱的軸線。通過在上述T型波導(dǎo)中心交叉處引入一個鐵氧體方柱 (方形缺陷介質(zhì)柱6)，其邊長為0.28a，4個等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5斜邊面分別到鐵氧 體柱軸線(方形缺陷介質(zhì)柱6)的距離為1.2997a。鐵氧體方柱的光軸與背景介質(zhì)柱的光軸方 向一致。
[0040] 本發(fā)明的原理介紹主要針對磁光介質(zhì)加以解釋。鐵氧體是一種磁各向異性的材 料，鐵氧體的磁各向異性是由外加直流偏置磁場所誘導(dǎo)的。該磁場使鐵氧體中的磁偶極子 循同一方向排列，從而產(chǎn)生合成的磁偶極距，并使磁偶極子在由偏置磁場強度所控制的頻 率下做運動。
[0041] 通過調(diào)整偏置磁場強度可控制與外加微波信號的相互作用，從而實現(xiàn)光子晶體T 型波導(dǎo)直角輸出雙路反相光學(xué)時鐘信號發(fā)生器。在偏置磁場的作用下，鐵氧體的磁導(dǎo)率張 量表現(xiàn)為非對稱性，其中鐵氧體張量磁導(dǎo)率[μ]為：
[0043]磁導(dǎo)率張量的矩陣元中的有關(guān)參量由以下式子給出：
[0049] 其中，μ〇為真空中的磁導(dǎo)率，γ為旋磁比，Ho為外加磁場，Ms為飽和磁化強度，為工 作頻率，P = k/y為歸一化磁化頻率，也叫分離因子，參數(shù)μ和k決定不同鐵氧體材料，具有這 種形式的磁導(dǎo)率張量的材料稱為旋磁性的，假定偏置的方向是相反的，則Ho和Ms將改變符 號，所以旋轉(zhuǎn)方向也會相反。
[0050] 對于晶格常數(shù)和工作波長的選取，可以采用以下方式確定。通過公式
[0052]其中以本發(fā)明中正方晶格硅結(jié)構(gòu)的的歸一化禁帶頻率范圍 [0053] fnQrm=0.3150~0.4548 (8)計算出相應(yīng)的禁帶波長范圍為：
[0054] λ = 2· 1987a ~3.1746a (9)
[0055] 由此可見在不考慮色散或材質(zhì)色散變化很小的情況