專利名稱：電磁波束控制的方法、波束偏轉(zhuǎn)器、分束器及其轉(zhuǎn)換開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁波控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種利用可調(diào)旋磁媒質(zhì)磁疇結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電磁波束控制的方法、波束偏轉(zhuǎn)器、分束器及其轉(zhuǎn)換開關(guān)。
背景技術(shù)：
單向波導(dǎo)，主要是指電磁波在其中傳播時(shí)只存在某個(gè)方向的傳輸模式，理論上講其他方向的模式得到全部抑制。由于單向波導(dǎo)差不多100%的透過率，以及其可能在光學(xué)集成方面的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注。其最直接的應(yīng)用就是電磁波分束器和偏轉(zhuǎn)器，目前制作單向波導(dǎo)主要是用旋磁或旋電媒質(zhì)制成光子晶體。利用光子晶體破壞時(shí)間反演對(duì)稱性類比電子體系的量子霍爾效應(yīng)獲得具有單向傳輸?shù)倪吔鐟B(tài)，形成具有單向傳播的電磁波導(dǎo)。然后利用這種單向波導(dǎo)可以制作形成具有單向傳輸特性的分束器和偏轉(zhuǎn)器。而由于現(xiàn)有的電磁波分束器和偏轉(zhuǎn)器都有著這樣或那樣的不足例如，以磁性光子晶體的分束器，因光子晶體對(duì)于頻率依賴比較敏感，一旦入射波頻率稍有偏差，分束效果就會(huì)大打折扣；又由于光子晶體制作工藝要求較高，成本要求較高，如果參數(shù)有稍微的偏離就會(huì)使電磁波傳輸性質(zhì)受到較大的影響。而以金屬波導(dǎo)制作的分束器，一方面金屬存在會(huì)有較強(qiáng)的吸收，電磁波會(huì)有損耗，另一方面一旦金屬波導(dǎo)制定好對(duì)它進(jìn)行頻率的調(diào)控比較困難，而且不具有單向傳輸?shù)奶匦?，分束和偏轉(zhuǎn)性能均不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種電磁波束控制的方法及波束調(diào)節(jié)器，使得電磁波能夠穩(wěn)定地單向傳輸。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種電磁波束控制的方法，包括以下步驟(1)根據(jù)所需控制電磁波的工作頻率，確定磁場的大小以及相應(yīng)的旋磁媒質(zhì)(即旋磁材料)；(2)根據(jù)電磁波要分束的數(shù)目和/或偏轉(zhuǎn)方向確定磁疇的幾何特征；(3)根據(jù)所述磁疇的幾何特征，通過磁場控制，在旋磁媒質(zhì)中構(gòu)造出磁疇，并控制電磁波模式的單向性傳播方向。所述電磁波的工作頻率范圍為Q1 ω2;ωι=1κ^+^)，ω2= Y (B0H0)172, Ji
中，Y為旋磁媒質(zhì)的旋磁比，B0為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H0為磁場強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl = Η0+4 π M0, 其中，Mtl飽和磁場強(qiáng)度。所述磁疇的幾何特征包括磁疇的布局以及電磁波傳播方向。所述電磁波為可見光、紅外光或微波。所述磁場控制通過加外磁場、將旋磁媒質(zhì)制作成永久磁體或電磁體實(shí)現(xiàn)。所述步驟(3)中，對(duì)于單頻電磁波而言，在磁疇上電磁波模式的傳播方向只能沿著磁疇的一個(gè)方向進(jìn)行；對(duì)于多頻電磁波而言，磁疇上低頻段的電磁波模式的傳播方向，與磁疇兩側(cè)的磁場方向構(gòu)成右手手性關(guān)系；磁疇上高頻段的電磁波模式的傳播方向，與磁疇兩側(cè)的磁場方向構(gòu)成左手手性關(guān)系。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種利用上述電磁波束控制的方法制作的波束偏轉(zhuǎn)器，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁媒質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)磁疇，從而使電磁波的傳播方向沿磁疇偏轉(zhuǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種利用上述電磁波束控制的方法制作的波束分束器，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁煤質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)以上的磁疇，從而使電磁波的傳播方向沿磁疇分開。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種利用上述電磁波束控制的方法制作的分束器-偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化開關(guān)，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁煤質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)以上的磁疇，通過磁場控制，打開或關(guān)閉其中一個(gè)或多個(gè)磁疇，實(shí)現(xiàn)分束器和偏轉(zhuǎn)器的相互轉(zhuǎn)換。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明利用磁場控制技術(shù)，使旋磁媒質(zhì)的磁導(dǎo)率獲得特定的幾何分布，形成具有特定幾何特征的磁疇結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波的控制，得到可調(diào)的電磁波束分束器和電磁波束偏轉(zhuǎn)器。通過磁場控制，打開或關(guān)閉某些磁疇模式，可以實(shí)現(xiàn)分束器和偏轉(zhuǎn)器相互轉(zhuǎn)換，形成磁控分束器-偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化開關(guān)。本發(fā)明對(duì)電磁波束的控制具有低損耗、抗無序、寬頻、高效的特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于全光控制芯片、光互聯(lián)等領(lǐng)域。


圖IA是本發(fā)明的所涉及的90°分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖IB是本發(fā)明所涉及的90°分束器的電磁波傳播效果圖；圖2A是本發(fā)明所涉及的任意角度的分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2B是本發(fā)明所涉及的任意角度的分束器的電磁波傳播效果圖；圖3A是本發(fā)明所涉及的多光束分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖;3B是本發(fā)明所涉及的多光束分束器的電磁波傳播效果圖；圖4A是本發(fā)明所涉及的90°光束偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4B是本發(fā)明所涉及的90°光束偏轉(zhuǎn)器的電磁波傳播效果圖；圖5A是本發(fā)明所涉及的任意角度光束偏轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5B是本發(fā)明所涉及的任意角度光束偏轉(zhuǎn)器的電磁波傳播效果圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種電磁波束控制的方法，包括以下步驟第一步根據(jù)所需控制電磁波的工作頻率，確定磁場的大小，以及相應(yīng)的旋磁媒質(zhì)。第二步按照需要，確定電磁波要分束的數(shù)目和/或偏轉(zhuǎn)方向，設(shè)計(jì)磁疇的幾何特征，包括磁疇的布局以及電磁波傳播方向。第三步按照所設(shè)計(jì)的磁疇的幾何特征，通過磁場控制，在旋磁媒質(zhì)構(gòu)造出磁疇。在上述實(shí)施方式中，第一步中根據(jù)磁場強(qiáng)度Htl和飽和磁場強(qiáng)度M0的大小，給出允許傳播的單向模式的頻率范圍為ω2 Co1，按照公式計(jì)算給出磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl = ^+4 π Mtl,
進(jìn)而得到外=-/0 +代)，ω2= y (B0H0)172, γ為旋磁媒質(zhì)的旋磁比。根據(jù)磁場的方向，
確定允許傳播的單向模式的方向，即，磁疇上電磁波模式正向傳播的方向，與磁疇兩側(cè)的磁場方向構(gòu)成左手手性關(guān)系。符合左手法則的電磁波允許傳播，否則抑制。本步驟中一種典型的情況為選釔鐵石榴石作為旋磁媒質(zhì)且把它的厚度定為7毫米，當(dāng)在該釔鐵石榴石上構(gòu)造磁疇的靜磁場的強(qiáng)度為1600G時(shí)，工作頻率范圍為6. 84GHz-10GHz。本發(fā)明還涉及一種利用上述電磁波束控制的方法制作的波束分束器，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁煤質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)以上的磁疇，從而使電磁波的傳播方向沿磁疇分開。 其原理圖如圖1、圖2和圖3所示。其中，圖IA是一種90°分束器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2Α代表一種任意角度分束器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3Α則代表了一種多波束分束器的示意圖。圖1Α、 圖2Α和圖3Α中的黑色和白色區(qū)域分別代表磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁媒質(zhì)，這種特定的磁導(dǎo)率分布可由磁場控制技術(shù)，比如在黑色和白色區(qū)域中分別施加方向相反的外靜磁場即可實(shí)現(xiàn)。黑色區(qū)域和白色區(qū)域之間的邊界即為磁疇。作為例子，當(dāng)黑色區(qū)域和白色區(qū)域中分別施加方向垂直紙面向外和垂直紙面向里的靜磁場方向時(shí)，電磁波只能沿著磁疇傳播，其入射方向及出射方向由圖中的箭頭給出。磁疇上電磁波模式正向傳播的方向，與磁疇兩側(cè)的磁場方向構(gòu)成左手手性關(guān)系。圖1Β、圖2Β和圖;3Β分別為電磁波波束分束時(shí)，數(shù)值實(shí)驗(yàn)所給出的場圖。本發(fā)明還涉及一種利用上述電磁波束控制的方法制作的波束偏轉(zhuǎn)器，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁媒質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)磁疇，從而使電磁波的傳播方向沿磁疇偏轉(zhuǎn)。波束偏轉(zhuǎn)器的器件原理圖如圖4和圖5所示。與上述的分束器同理相同，偏轉(zhuǎn)器的功能也主要由特定的磁疇決定。圖4Α和圖5Α分別代表了一種90°偏轉(zhuǎn)器和任意角度偏轉(zhuǎn)器。電磁波只能沿著磁疇傳播，其入射方向及出射方向由圖中的箭頭給出。圖4Β和圖5Β分別為電磁波束偏轉(zhuǎn)時(shí)，數(shù)值實(shí)驗(yàn)所給出的場圖。本發(fā)明還涉及一種利用上述電磁波束控制的方法制作的分束器-偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化開關(guān)，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁煤質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)以上的磁疇，通過磁場控制，打開或關(guān)閉其中一個(gè)或多個(gè)磁疇，實(shí)現(xiàn)分束器和偏轉(zhuǎn)器的相互轉(zhuǎn)換。通過控制關(guān)閉或打開某個(gè)磁疇，可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明涉及的分束器和偏轉(zhuǎn)器的互相轉(zhuǎn)化。關(guān)閉或打開某個(gè)磁疇的方法，可由磁場控制技術(shù)，比如在某個(gè)特定的區(qū)域讓所施加的外磁場反向即可。如圖IA中所示的90°分束器，只需在圖中標(biāo)記為“3”的黑色區(qū)域，讓磁場反向，使相應(yīng)的磁疇被關(guān)閉，從而變成與圖 4A—樣的結(jié)構(gòu)，這樣，90°分束器就轉(zhuǎn)化成了 90°偏轉(zhuǎn)器。這個(gè)的過程是可逆的，我們通過對(duì)“3”區(qū)域的磁場控制，打開相應(yīng)的磁疇，也可以把90°偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化成90°分束器。相似的，通過磁場控制，關(guān)閉和打開相應(yīng)的磁疇，如圖2A所示的任意角度分束器和如圖5A所示的任意角度偏轉(zhuǎn)器也可以實(shí)現(xiàn)相互轉(zhuǎn)化。 不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明利用磁場控制技術(shù)，使旋磁媒質(zhì)的磁導(dǎo)率獲得特定的幾何分布， 形成具有特定幾何特征的磁疇結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)電磁波的控制，得到可調(diào)的電磁波束分束器和電磁波束偏轉(zhuǎn)器。通過磁場控制，打開或關(guān)閉某些磁疇模式，可以實(shí)現(xiàn)分束器和偏轉(zhuǎn)器相互轉(zhuǎn)換，形成磁控分束器-偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化開關(guān)。本發(fā)明對(duì)電磁波束的控制具有低損耗、抗無序、寬頻、高效的特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于全光控制芯片、光互聯(lián)等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種電磁波束控制的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據(jù)所需控制電磁波的工作頻率，確定磁場的大小以及相應(yīng)的旋磁媒質(zhì)；(2)根據(jù)電磁波要分束的數(shù)目和/或偏轉(zhuǎn)方向確定磁疇的幾何特征；(3)根據(jù)所述磁疇的幾何特征，通過磁場控制，在旋磁媒質(zhì)中構(gòu)造出磁疇，并控制電磁波模式的單向性傳播方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波束控制的方法，其特征在于，所述電磁波的工作頻率范圍為ωι 代)，ω2= Y (BtlHtl)1/2，其中，γ為旋磁媒質(zhì)的旋磁比，B。為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H0為磁場強(qiáng)度；磁感應(yīng)強(qiáng)度Btl = Η0+4 π Μ。，其中，Mtl飽和磁場強(qiáng)度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波束控制的方法，其特征在于，所述磁疇的幾何特征包括磁疇的布局以及電磁波傳播方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波束控制的方法，其特征在于，所述電磁波為可見光、紅外光或微波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波束控制的方法，其特征在于，所述磁場控制通過加外磁場、將旋磁媒質(zhì)制作成永久磁體或電磁體實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁波束控制的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，對(duì)于單頻電磁波而言，在磁疇上電磁波模式的傳播方向只能沿著磁疇的一個(gè)方向進(jìn)行；對(duì)于多頻電磁波而言，磁疇上低頻段的電磁波模式的傳播方向，與磁疇兩側(cè)的磁場方向構(gòu)成右手手性關(guān)系；磁疇上高頻段的電磁波模式的傳播方向，與磁疇兩側(cè)的磁場方向構(gòu)成左手手性關(guān)系。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的電磁波束控制的方法制作的波束偏轉(zhuǎn)器，其特征在于，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁媒質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)磁疇，從而使電磁波的傳播方向沿磁疇偏轉(zhuǎn)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的電磁波束控制的方法制作的波束分束器，其特征在于，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁煤質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)以上的磁疇，從而使電磁波的傳播方向沿磁疇分開。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一權(quán)利要求所述的電磁波束控制的方法制作的分束器-偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化開關(guān)，其特征在于，包括兩塊磁導(dǎo)率張量互為轉(zhuǎn)置共軛的旋磁煤質(zhì)，通過加外磁場、制作成永久磁體或電磁體使所述兩塊旋磁媒質(zhì)之間的邊界形成相交的兩個(gè)以上的磁疇，通過磁場控制，打開或關(guān)閉其中一個(gè)或多個(gè)磁疇，實(shí)現(xiàn)分束器和偏轉(zhuǎn)器的相互轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁波束控制的方法，包括以下步驟根據(jù)所需控制電磁波的工作頻率，確定磁場的大小以及相應(yīng)的旋磁媒質(zhì)；根據(jù)電磁波要分束的數(shù)目和/或偏轉(zhuǎn)方向確定磁疇的幾何特征；根據(jù)所述磁疇的幾何特征，通過磁場控制，在旋磁媒質(zhì)中構(gòu)造出磁疇，并控制電磁波模式的單向性傳播方向。本發(fā)明還涉及一種電磁波束控制的方法制作的波束偏轉(zhuǎn)器、波束分束器和分束器-偏轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)化開關(guān)。本發(fā)明對(duì)電磁波束的控制具有低損耗、抗無序、寬頻、高效的特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于全光控制芯片、光互聯(lián)等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02F1/01GK102569968SQ201210009080
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者張小剛, 李偉, 蔣尋涯 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所