專利名稱：基于磁光光子晶體的4×4二進(jìn)制發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器。
背景技術(shù)：
在過去的幾年，人工周期結(jié)構(gòu)，例如光子晶體，獲得了廣泛的關(guān)注。在光子晶體中，由于介電常數(shù)周期分布，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光場(chǎng)的動(dòng)態(tài)控制。因而，光子晶體在光子晶體激光器、光子晶體波導(dǎo)、光子晶體濾波器、光子晶體探測(cè)器等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。在之前的研究中，光子晶體的材料主要聚焦于普通的介質(zhì)材料。但是，基于磁性材料的磁光光子晶體沒有獲得足夠的關(guān)注，主要是因?yàn)橹暗难芯恐饕性诠鈱W(xué)波長(zhǎng)范圍，而在光學(xué)波長(zhǎng)范圍，磁材料的磁導(dǎo)率通常為I。但是，在微波波段，磁材料的介電常數(shù)會(huì)隨頻率變化以及外加磁場(chǎng)變化而變化，從而產(chǎn)生具有光子帶隙的磁光光子晶體，進(jìn)而激發(fā)了一些新奇的現(xiàn)象。目前,磁光光子晶體獲得了廣泛的研究。Haldane和Raghu在實(shí)驗(yàn)和理論上證明了磁光光子晶體的本征模式能很好地局域在磁光光子晶體的表面，并且具有很好的單向傳播特性。在磁光光子晶體中，磁導(dǎo)率會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的變化而變化，并且磁導(dǎo)率張量的非對(duì)角分量有非零分量，使得光子晶體的能帶呈現(xiàn)非倒易性，因而磁光光子晶體可以實(shí)現(xiàn)單向傳播。另外，由于磁導(dǎo)率張量隨著外加磁場(chǎng)的大小和方向而變化，可以調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)來改變磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變光的傳播方向?；诖殴夤庾泳w，本研究在國(guó)際上首次設(shè)計(jì)了一個(gè)4X4的16輸出端口的磁光光子晶體，通過調(diào)節(jié)磁光光子晶體區(qū)域磁場(chǎng)的變化，可以隨意實(shí)現(xiàn)任意端口的高透過率輸出，利用輸出端口和四位二進(jìn)制數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制產(chǎn)生器的功能。本研究可以推廣到8位二進(jìn)制發(fā)生器，乃至任意N位二進(jìn)制數(shù)的發(fā)生器。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，利用“在磁光光子晶體中，磁導(dǎo)率會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的變化而變化，并且磁導(dǎo)率張量的非對(duì)角分量有非零分量，使得光子晶體的能帶呈現(xiàn)非倒易性，因而磁光光子晶體可以實(shí)現(xiàn)單向傳播”這一特性，以及“動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)來改變磁導(dǎo)率，進(jìn)而改變光傳播方向的動(dòng)態(tài)調(diào)制”，并利用不同光場(chǎng)輸出端口與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)計(jì)了磁光光子晶體二進(jìn)制發(fā)生器。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，該4X4 二進(jìn)制發(fā)生器具有一個(gè)周期性排列的四方晶格的磁光光子晶體介質(zhì)柱，該磁光光子晶體介質(zhì)柱被分成5X5的區(qū)域，在不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+z或者-Z磁場(chǎng)，通過調(diào)節(jié)不同區(qū)域的磁場(chǎng)，對(duì)光進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制產(chǎn)生的功能。上述方案中，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱采用的材料為磁光材料，所述磁光材料為釔鐵石榴石(HG)。上述方案中，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱具有橫磁模光子晶體帶隙。通過在所述磁光光子晶體介質(zhì)柱不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+Z或者-Z磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁光光子晶體波導(dǎo)和分束器。上述方案中，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱在工作波長(zhǎng)范圍具有單向傳輸?shù)奶匦?。上述方案中，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱在一定磁場(chǎng)下被轉(zhuǎn)化為一系列的直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)，該一系列的直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)集成在一起構(gòu)成該4X4 二進(jìn)制發(fā)生器。上述方案中，所述磁光光子晶體4X4 二進(jìn)制發(fā)生器能夠通過磁光光子晶體的拓展進(jìn)一步拓展至4XN 二進(jìn)制發(fā)生器，其中N為大于4的自然數(shù)。(三)有益效果
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I、本發(fā)明提供的這種基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，由于“在磁光光子晶體中，磁導(dǎo)率會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的變化而變化，并且磁導(dǎo)率張量的非對(duì)角分量有非零分量，使得光子晶體的能帶呈現(xiàn)非倒易性，因而磁光光子晶體可以實(shí)現(xiàn)單向傳播”，這一特性為基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器的提供了物理依據(jù)。2、本發(fā)明提供的這種基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，由于在磁光光子晶體具有TM光子帶隙，在磁光光子晶體不同半平面引入不同的外加磁場(chǎng)，可以形成磁光光子晶體波導(dǎo)。由于磁導(dǎo)率張量的非倒易性，因而可以磁光光子晶體具有單向傳播特性，并且可以完美傳輸?；诖殴夤庾泳w波導(dǎo)，可以構(gòu)建的磁光光子晶體彎折波導(dǎo)、磁光光子晶體分束器等也具有完美傳輸?shù)奶匦浴?、本發(fā)明提供的這種基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，具有比較寬的工作波長(zhǎng)范圍，可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。4、利用本發(fā)明，可以設(shè)計(jì)4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，可以產(chǎn)生一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)。同時(shí)，可以根據(jù)需要進(jìn)一步拓展到4XN 二進(jìn)制發(fā)生器，產(chǎn)生N位二進(jìn)制。


圖I (a)是外加磁場(chǎng)Hex = 0時(shí)的四方晶格YIG磁光光子晶體，圖I (b)是采用FDFD方法計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)Hrai = 0時(shí)的四方晶格YIG磁光光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，圖I (c)外加磁場(chǎng)Hex = 1600G時(shí)的四方晶格YIG磁光光子晶體，圖I (d)采用FDFD方法計(jì)算得到的外加磁場(chǎng)Hrai = 1600G時(shí)的四方晶格YIG磁光光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)。圖2(a)為本發(fā)明提供的四方晶格磁光光子晶體波導(dǎo)示意圖；圖2(b)為計(jì)算磁光光子晶體波導(dǎo)能帶時(shí)采用的超元胞；圖2(c)為外加磁場(chǎng)為Hex = 0時(shí)，采用FDFD方法計(jì)算YIG磁光光子晶體波導(dǎo)的能帶；圖2(d)為歸一化頻率為0. 546(2 c/a)的傳導(dǎo)模式的場(chǎng)分布；圖2(e)為歸一化頻率為0. 629 (2 ii c/a)的傳導(dǎo)模式的場(chǎng)分布。圖3 (a)為磁光光子晶體波導(dǎo)的傳輸效率，圖3 (b)歸一化頻率為0. 546 (2 c/a)的光在磁光光子晶體中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，圖3 (c)歸一化頻率為0. 629 (2 ii c/a)的光在磁光光子晶體中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4為磁光光子晶體180 °分束器和90°彎折波導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布和外加磁場(chǎng)分布，其中藍(lán)色區(qū)域施加+z磁場(chǎng)，白色區(qū)域施加-Z磁場(chǎng)。其中圖4(a)為歸一化頻率為0. 629 (2 JI c/a)的光在磁光光子晶體180°分束器中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4(b)為歸一化頻率為0. 629 (2 ii c/a)的光在磁光光子晶體向上90°彎折波導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4 (c)為歸一化頻率為0. 629(2 ii c/a)的光在磁光光子晶體向下90°彎折波導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4(d)為磁光光子晶體180°分束器的外加磁場(chǎng)分布。圖4(e)為向上90°彎折波導(dǎo)的外加磁場(chǎng)分布。圖4(f)為向下90°彎折波導(dǎo)的外加磁場(chǎng)分布。圖5為本發(fā)明提供的微調(diào)之后的基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器的示意圖，磁控光子晶體二進(jìn)制發(fā)生器16端口輸出。圖6為磁控光子晶體二進(jìn)制發(fā)生器外加動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)分布?；疑珔^(qū)域的磁場(chǎng)為+Z方向，空白區(qū)域的磁場(chǎng)為-Z方向。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。 本發(fā)明提供的這種基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器，具有一個(gè)四方晶格的磁光光子晶體介質(zhì)柱，該磁光光子晶體介質(zhì)柱被分成5X5的區(qū)域，在不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+z或者-Z磁場(chǎng)，通過調(diào)節(jié)不同區(qū)域的磁場(chǎng)，對(duì)光進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制產(chǎn)生的功能。其中，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱采用的材料為磁光材料，如釔鐵石榴石(HG)等。所述磁光光子晶體介質(zhì)柱具有橫磁模光子晶體帶隙。通過在所述磁光光子晶體介質(zhì)柱不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+z或者-Z磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁光光子晶體波導(dǎo)和分束器。所述磁光光子晶體介質(zhì)柱在工作波長(zhǎng)范圍具有單向傳輸?shù)奶匦?。所述磁光光子晶體介質(zhì)柱在一定磁場(chǎng)下被轉(zhuǎn)化為一系列的直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)，該一系列的直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)集成在一起構(gòu)成該4X4 二進(jìn)制發(fā)生器。所述磁光光子晶體4X4 二進(jìn)制發(fā)生器能夠通過磁光光子晶體的拓展進(jìn)一步拓展至4XN 二進(jìn)制發(fā)生器，其中N為大于4的自然數(shù)。實(shí)施例一圖2(a)為本發(fā)明提供的四方晶格磁光光子晶體波導(dǎo)示意圖，波導(dǎo)的產(chǎn)生是通過在上下半平面施加不同的外加磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)的。采用材料是釔鐵石榴石(YIG)，具體的參數(shù)如下介電系數(shù)e = 15，YIG的磁導(dǎo)率可以表達(dá)如下
U IK 0//= -IK ju 0
0 0 JU0_其中Utl是真空介電常數(shù)，K是由外加磁場(chǎng)引起的回旋磁參數(shù)。當(dāng)外加磁場(chǎng)Hrai =1600G時(shí)，YIG材料在4. 28GHz附近的介電常數(shù)張量參數(shù)為y = 14和k = 12. 4。周期介質(zhì)柱半徑r = 0. lla(a為晶格常數(shù))。圖2(b)為計(jì)算磁光光子晶體波導(dǎo)能帶時(shí)采用的超元胞；圖2(c)為外加磁場(chǎng)為Hex = 0時(shí)，采用FDFD方法計(jì)算YIG磁光光子晶體波導(dǎo)的能帶；圖2(d)為歸一化頻率為0. 546(2 31 c/a)的傳導(dǎo)模式的場(chǎng)分布；圖2(e)為歸一化頻率為0. 629(2 n c/a)的傳導(dǎo)模式的場(chǎng)分布。圖3 (a)為磁光光子晶體波導(dǎo)的傳輸效率，圖3 (b)歸一化頻率為0. 546 (2 c/a)的光在磁光光子晶體中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)，圖3(c)歸一化頻率為0. 629(2 ii c/a)的光在磁光光子晶體中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4為磁光光子晶體180 °分束器和90°彎折波導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)分布和外加磁場(chǎng)分布，其中藍(lán)色區(qū)域施加+z磁場(chǎng)，白色區(qū)域施加-Z磁場(chǎng)。其中圖4(a)為歸一化頻率為0.629(2 c/a)的光在磁光光子晶體180°分束器中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4(b)為歸一化頻率為0. 629 (2 ii c/a)的光在磁光光子晶體向上90°彎折波導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4 (c)為歸一化頻率為0. 629(2 ii c/a)的光在磁光光子晶體向下90°彎折波導(dǎo)中的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)。圖4(d)為磁光光子晶體180°分束器的外加磁場(chǎng)分布。圖4(e)為向上90°彎折波導(dǎo)的外加磁場(chǎng)分布。圖4(f)為向下90°彎折波導(dǎo)的外加磁場(chǎng)分布。 實(shí)施例二圖5為本發(fā)明提供的微調(diào)之后的基于磁光光子晶體的4X4 二進(jìn)制發(fā)生器的示意圖。采用材料是釔鐵石榴石(YIG)，具體的參數(shù)如下介電系數(shù)e =15，YIG的磁導(dǎo)率可以表達(dá)如下
權(quán)利要求
1.一種基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，該4X4二進(jìn)制發(fā)生器具有一個(gè)周期排布四方晶格的磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，該磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)被分成5X5的區(qū)域，在不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+z或者-Z磁場(chǎng)，通過調(diào)節(jié)不同區(qū)域的磁場(chǎng)，對(duì)光進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制產(chǎn)生的功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)米用的材料為磁光材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，所述磁光材料為釔鐵石榴石(HG)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)具有橫磁模光子晶體帶隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，通過在所述磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+z或者-Z磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)磁光光子晶體波導(dǎo)和分束器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)在工作波長(zhǎng)范圍具有單向傳輸?shù)奶匦浴?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，所述磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)在一定磁場(chǎng)下被轉(zhuǎn)化為一系列的直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)，該一系列的直波導(dǎo)和彎折波導(dǎo)集成在一起構(gòu)成該4X4 二進(jìn)制發(fā)生器。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于磁光光子晶體的4X4二進(jìn)制發(fā)生器，其特征在于，所述磁光光子晶體4 X 4 二進(jìn)制發(fā)生器能夠通過磁光光子晶體的拓展進(jìn)一步拓展至4 X N 二進(jìn)制發(fā)生器，其中N為大于4的自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁光光子晶體的4×4二進(jìn)制發(fā)生器，該4×4二進(jìn)制發(fā)生器具有一個(gè)周期排布四方晶格的磁光光子晶體介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，該磁光光子晶體介質(zhì)柱被分成5×5的區(qū)域，在不同的區(qū)域施加沿著介質(zhì)柱的+z或者-z磁場(chǎng)，通過調(diào)節(jié)不同區(qū)域的磁場(chǎng)，對(duì)光進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制產(chǎn)生的功能。本發(fā)明提供的這種基于磁光光子晶體的4×4二進(jìn)制發(fā)生器，由于在磁光光子晶體具有TM光子帶隙，在磁光光子晶體不同半平面引入不同的外加磁場(chǎng)，可以形成磁光光子晶體波導(dǎo)。由于磁導(dǎo)率張量的非倒易性，因而可以磁光光子晶體具有單向傳播特性，并且可以完美傳輸?；诖殴夤庾泳w波導(dǎo)，可以構(gòu)建的磁光光子晶體彎折波導(dǎo)、磁光光子晶體分束器等也具有完美傳輸?shù)奶匦浴?br> 文檔編號(hào)G02F1/095GK102707462SQ201210192819
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者馮志剛, 張冶金, 江斌, 王宇飛, 鄭婉華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所