光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)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(shí)鐘信號發(fā)生器，尤其涉及一種光子晶體T型波導(dǎo)橫向 輸出雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的雙路光學(xué)時(shí)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。磁光材料與新型光子晶體的結(jié)合導(dǎo)致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(shí)鐘信號發(fā)生器。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(shí)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(jì)算的重要部件，具有廣泛應(yīng)用 價(jià)值，緊湊型光學(xué)時(shí)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T型波導(dǎo)橫向輸出雙路反相光學(xué)時(shí)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(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器，包括一個(gè)具有TE禁帶的光子 晶體T型波導(dǎo);所述發(fā)生器還包括一個(gè)輸入端1、兩個(gè)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(gè)提供偏置磁場的電磁鐵7和一個(gè) 矩形波電流源9;所述光子晶體T型波導(dǎo)的左端為輸入端1，所述輸出端2、3分別位于光子晶 體T型波導(dǎo)的下端、上端，呈一條直線布局;所述缺陷介質(zhì)柱6位于T型波導(dǎo)中心交叉處;所述 4個(gè)等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5分別位于T型波導(dǎo)交叉的四個(gè)拐角處;所述光子晶體波導(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(shí)鐘信號。
[0006] 所述發(fā)生器進(jìn)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(shí)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和低折射率材料組成，所述高折射率材料為硅或折射率 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T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T型波導(dǎo)交叉拐角處的背景介質(zhì)柱4刪除一個(gè)角以形成等腰直角三角形缺陷 介質(zhì)柱。
[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z軸方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)41度。
[0013]所述等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5為三角柱型。
[0014]所述缺陷介質(zhì)柱6為鐵氧體方柱，其形狀為正方形，該鐵氧體為磁各向異性材料， 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。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)結(jié)構(gòu)體積小，時(shí)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(shí)現(xiàn)TE光雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器，便于集成，具有極大 的實(shí)用價(jià)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(shí) 現(xiàn)不同波長雙路反相時(shí)鐘信號的產(chǎn)生；
[0019] (4)高對比度、高隔離度，同時(shí)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(gè)波長的光同時(shí)工作，具有實(shí)用意義。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)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)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。 [0023]圖中：電磁鐵7導(dǎo)線8矩形波電流源9
[0024] 圖3是本發(fā)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)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)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器的光學(xué)時(shí)鐘信號波形 圖。
[0026] 圖5是實(shí)施例1中光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器禁帶頻率的邏輯對 比度圖。
[0027]圖6是實(shí)施例2中光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器禁帶頻率的邏輯對 比度圖。
[0028] 圖7是實(shí)施例3中光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)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)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器的光場分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)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(gè)具有TE禁帶的光子晶體T型波導(dǎo)，該發(fā)生器還包括輸 入端1、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;光子晶體T型波導(dǎo)的左端為 輸入端1，端口 2、3分別位于光子晶體T型波導(dǎo)的下端、上端，呈直線布局;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(shí)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為，T型波導(dǎo)交叉拐角處的背景 介質(zhì)柱4刪除一個(gè)角所形成，等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5為三角柱型，4個(gè)等腰直角三角形 缺陷介質(zhì)柱5分別位于T型波導(dǎo)交叉的四個(gè)拐角處，光軸方向與背景介質(zhì)柱相同，缺陷介質(zhì) 柱6為鐵氧體方柱，其形狀為正方形，位于T型波導(dǎo)中心交叉處，光軸方向垂直紙面向外，該 鐵氧體為磁各向異性材料，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)明的光子晶體波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)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(gè)提供偏置磁場的電磁鐵7(電磁鐵線圈）和一個(gè)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提供偏置的磁場的方向 隨時(shí)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:x軸正方向?yàn)樗?向右;y軸正方向?yàn)樵诩埫鎯?nèi)豎直向上;z軸正方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲狻?br>[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（z軸)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)41度時(shí)，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（z軸)逆時(shí)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?jiǎng)h除一行和一列介質(zhì)柱以形成導(dǎo)波波導(dǎo)。通過在上 述T型波導(dǎo)中心交叉處引入一個(gè)鐵氧體方柱(方形缺陷介質(zhì)柱6)，其邊長為0.28a，4個(gè)等腰 直角三角形缺陷介質(zhì)柱5斜邊面分別到鐵氧體柱（方形缺陷介質(zhì)柱6)軸線的距離為 1.2997a。
[0040] 偏置磁場由偏置電磁鐵產(chǎn)生，偏置電磁鐵中加載有偏置電流，該偏置電流為調(diào)制 信號，調(diào)制信號為時(shí)變周期信號。
[0041] 雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號發(fā)生器，一般通過以下方法實(shí)現(xiàn):在周期變化偏置磁場下， 利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使光旋轉(zhuǎn)所需要的角度，由兩個(gè)端口交替輸出，即輸出兩路相位相反 的光學(xué)時(shí)鐘信號。
[0042] 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(qiáng)度所控制的頻 率下做進(jìn)動(dòng)。通過調(diào)整偏置磁場強(qiáng)度可控制與外加微波信號的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)光子晶 體T型波導(dǎo)橫向輸出雙路反相光學(xué)時(shí)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：
[0044] 磁導(dǎo)率張量的矩陣元中的有關(guān)參量由以下式子給出：
[0045] ω〇 = μ〇γΗο (2)
[0046] 〇m=y〇 γ Ms (3)
[0047] ω =2π f (4)
[0050] 其中，μ〇為真空中的磁導(dǎo)率，γ為旋磁比，Ηο為外加磁場，Ms為飽和磁化強(qiáng)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。
[0051 ] 通過數(shù)值掃描計(jì)算得到，d2 = 0.3a，d3 = 0.2817a，d5 = 1.2997