本發(fā)明涉及一種磁控可調(diào)頻遠(yuǎn)紅外光開關(guān)，尤其是涉及一種可以實(shí)現(xiàn)由磁場強(qiáng)度調(diào)節(jié)工作頻率的遠(yuǎn)紅外光開關(guān)。

背景技術(shù)：

光子技術(shù)擅長信息傳輸，并具有寬帶、大容量和并行處理等優(yōu)點(diǎn)，因此現(xiàn)在信息的傳輸?shù)燃夹g(shù)領(lǐng)域已被光子技術(shù)占領(lǐng)，例如光纖通信及光纖傳感器。在光纖通信領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)換，必須的元器件是光開關(guān)。現(xiàn)有的實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的方法有多種，如傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)、微機(jī)械光開關(guān)、熱光開關(guān)和聲光開關(guān)等，因其各自的特點(diǎn)在不同場合得到廣泛應(yīng)用。其中機(jī)械光開關(guān)一般通過機(jī)械方式改變光路，因而具有與波長及偏振無關(guān)的特點(diǎn)，是近幾年應(yīng)用最為廣泛的一種光開關(guān)，但它存在開關(guān)時(shí)間長，體積偏大以及重復(fù)性差等缺點(diǎn)。而微機(jī)械開關(guān)則是通過在硅晶片上刻出微小的鏡片，通過靜電力或電磁力來改變光的傳播方向，它繼承了傳統(tǒng)機(jī)械光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，但這類光開關(guān)對加工技術(shù)要求比較高。因此，發(fā)展一種制作簡單、體積可控以及頻率可調(diào)的光開關(guān)，是近年來的一個(gè)研究方向。

此外采用特異材料來設(shè)計(jì)光開關(guān)是近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。特異材料(Metamaterial)，是一種人工制作的亞波長元器件構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)，可以在特定的頻率范圍實(shí)現(xiàn)所需的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率的分布。因此特異材料在光子技術(shù)中有極大的應(yīng)用價(jià)值。其中雙曲特異材料是一種具有各向異性等效介電常數(shù)或等效磁導(dǎo)率的材料，電磁波在雙曲特異材料中的傳播特性和普通介質(zhì)非常不同，可以應(yīng)用在光調(diào)控上面?，F(xiàn)有的雙曲特異材料多是介電常數(shù)為各向異性，雙曲性質(zhì)只對TM偏振光有效。要實(shí)現(xiàn)雙曲性質(zhì)對TE偏振光有效，需要設(shè)計(jì)磁導(dǎo)率各向異性的雙曲特異材料，表示為其中μ_xx＞0，μ_yy＝μ_zz＜0。此外，現(xiàn)有的制作雙曲特異材料的方式多是通過改變亞波長元器件的占空比或元器件的材料屬性來控制雙曲色散頻率，不易通過外部調(diào)控。因此，設(shè)計(jì)可以外部調(diào)控雙曲性質(zhì)的磁性雙曲特異材料，來調(diào)控TE偏振光的傳輸性質(zhì)，已成為本領(lǐng)域的一個(gè)技術(shù)課題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種隨外界磁場變化可以實(shí)現(xiàn)雙曲色散頻率移動的遠(yuǎn)紅外可調(diào)光開關(guān)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種磁控可調(diào)頻遠(yuǎn)紅外光開關(guān)，其特征在于，該光開關(guān)包括依次設(shè)置鐵酸鎂基特異材料和介質(zhì)基底。

所述的鐵酸鎂基特異材料，由鐵酸鎂薄層和氧化鋁薄層在x軸方向交替重疊構(gòu)成一維周期性層狀結(jié)構(gòu)。

所述鐵酸鎂薄膜與氧化鋁薄膜在x軸方向的厚度均小于選定的用以入射所述光開關(guān)的電磁波的波長的1/20；所述鐵酸鎂薄膜與氧化鋁薄膜在y軸和z軸方向的長度均大于所述波長的10倍。

所述的結(jié)構(gòu)置于外磁場中，其磁導(dǎo)率由外加磁場電壓來控制。

根據(jù)等效介質(zhì)理論，特異材料的磁導(dǎo)率可以表示為其中μ_yy＝μ_zz＝f₁μ₁+f₂μ₂，μ_xx＝(f₁/μ₁+f₂/μ₂)^-1；μ₁為鐵酸鎂的磁導(dǎo)率；μ₂＝1為氧化鋁的磁導(dǎo)率；f₁＝d₁/(d₁+d₂)，f₂＝d₂/(d₁+d₂)分別為雙曲材料中鐵酸鎂和氧化鋁的占空比；d₁和d₂分別為所述鐵酸鎂薄膜與氧化鋁薄膜在x軸方向的厚度；通過控制外加磁場強(qiáng)度，控制鐵酸鎂薄層的磁導(dǎo)率，從而改變雙曲材料的雙曲色散頻率，進(jìn)而改變?nèi)肷銽E偏振光的透射率，實(shí)現(xiàn)外磁場調(diào)頻的光開關(guān)。

如上所述，本發(fā)明所述的一種磁控可調(diào)頻遠(yuǎn)紅外光開關(guān)，具有以下有益效果：

本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)，可以在外磁場調(diào)控下，實(shí)現(xiàn)從普通透明介質(zhì)到雙曲特異材料的轉(zhuǎn)變，從而改變?nèi)肷銽E偏振光的透射率，達(dá)到控制光的開關(guān)目的；同時(shí)雙曲色散區(qū)間受外磁場強(qiáng)度的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)磁場調(diào)頻開關(guān)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a和圖2b為改變外磁場大小時(shí)，雙曲特異材料的色散特性示意圖；

圖3a和圖3b為本發(fā)明結(jié)構(gòu)中的電場分布示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種磁控可調(diào)頻遠(yuǎn)紅外光開關(guān)，該光開關(guān)包括依次設(shè)置鐵酸鎂基特異材料和介質(zhì)基底。其中所述的鐵酸鎂基特異材料，由鐵酸鎂薄層和氧化鋁薄層在x軸方向交替重疊構(gòu)成一維周期性層狀結(jié)構(gòu)。所述鐵酸鎂薄膜與氧化鋁薄膜在x軸方向的厚度分別為d₁和d₂，均小于選定的用以入射所述光開關(guān)的電磁波的波長的1/20；所述鐵酸鎂薄膜與氧化鋁薄膜在y軸和z軸方向的長度均大于所述波長的10倍。

根據(jù)等效介質(zhì)理論，特異材料的磁導(dǎo)率可以表示為其中μ_yy＝μ_zz＝f₁μ₁+f₂μ₂，μ_xx＝(f₁/μ₁+f₂/μ₂)^-1；f₁＝d₁/(d₁+d₂)＝0.5，f₂＝d₂/(d₁+d₂)＝0.5分別為雙曲材料中鐵酸鎂和氧化鋁的占空比；μ₁為鐵酸鎂的磁導(dǎo)率；μ₂＝1為氧化鋁的磁導(dǎo)率；特異材料的介電常數(shù)表示為ε＝f₁ε₁+f₂ε₂，ε₁＝12.2為鐵酸鎂的磁導(dǎo)率；ε₂＝2.37為氧化鋁的磁導(dǎo)率。

當(dāng)外磁場強(qiáng)度為0時(shí)，鐵酸鎂的磁導(dǎo)率為μ₁＝1，此時(shí)特異材料的磁導(dǎo)率為1，是透明介質(zhì)。

當(dāng)外磁場強(qiáng)度不為0時(shí)，鐵酸鎂的磁導(dǎo)率為其中ω＝2πc/λ為工作頻率，c為真空中的光速，π為圓周率；ω_ex＝4πγH₀為共振頻率，γ為旋磁常數(shù)，H₀為外磁場強(qiáng)度；ω_m＝4πγM_s為特征頻率，其取值為3.15×10¹⁰(rad/s)。

采用0.9T的磁場強(qiáng)度，得到鐵酸鎂基特異材料的磁導(dǎo)率色散關(guān)系如圖2a所示，可以看到磁導(dǎo)率在987微米附近呈現(xiàn)雙曲色散特性；采用1.2T的磁場強(qiáng)度，得到鐵酸鎂基特異材料的磁導(dǎo)率色散關(guān)系如圖2b所示，可以看到磁導(dǎo)率在689.5微米附近呈現(xiàn)雙曲色散特性；磁場強(qiáng)度可以改變雙曲色散的頻率區(qū)間。

進(jìn)一步采用689.5微米的TE偏振光正入射所述光開關(guān)，用COMSOL全波仿真軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)中的電場強(qiáng)度分布；外磁場強(qiáng)度為0時(shí)，所述結(jié)構(gòu)中的電場強(qiáng)度分布如圖3a所示，TE偏振光透過鐵酸鎂基特異材料進(jìn)入介質(zhì)基底，這為光開關(guān)的“開”狀態(tài)；施加1.2T外磁場強(qiáng)度時(shí)，所述結(jié)構(gòu)中的電場強(qiáng)度分布如圖3b所示，TE偏振光完全被鐵酸鎂基特異材料反射，介質(zhì)基底中沒有光場分布，這為光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。此外，當(dāng)入射TE偏振光的波長發(fā)生變化時(shí)，可以將外磁場的強(qiáng)度調(diào)至相應(yīng)的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的目的。