基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種調(diào)制器，尤其涉及一種基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制器一般利用晶體的電光效應(yīng)來實現(xiàn)對光的調(diào)制，需要有一個微波 調(diào)制信號，一塊電光晶體，一個干涉結(jié)構(gòu)，如馬赫-曾德干涉結(jié)構(gòu)等。由于電光晶體的電光系 數(shù)的限制，需要采用幾何尺寸比較長的電光晶體，這樣使得光學(xué)調(diào)制器的體積較大，只能用 在傳統(tǒng)光學(xué)器件中，無法集成到光學(xué)芯片中。光調(diào)制器是在整體光通信的光發(fā)射、傳輸、接 收過程中用于控制光強度的關(guān)鍵器件，也是最重要的集成光學(xué)器件之一。

【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 成的光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器。
[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)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器，包括一個具有TE禁帶的光子晶體十 字波導(dǎo);所述調(diào)制器還包括一個輸入端1、三個輸出端2、3、4、背景硅介質(zhì)柱5、等腰直角三角 形缺陷介質(zhì)柱6和缺陷介質(zhì)柱7,所述調(diào)制器還包括一個提供偏置磁場的電磁鐵8,一個調(diào)制 電流源10和一個調(diào)制信號11;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、4分 別位于光子晶體十字波導(dǎo)的下端、右端、上端;所述缺陷介質(zhì)柱7位于十字波導(dǎo)中心交叉處； 所述4個等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6分別位于十字波導(dǎo)交叉的四個拐角處;所述光子晶體 波導(dǎo)由端口 1輸入TE載波光，再從端口 2、3、4任意端口輸出調(diào)幅光。
[0006] 所述調(diào)制器進一步包括導(dǎo)線911;所述電磁鐵8的一端與調(diào)制電流源10的負極相連 接;所述電磁鐵8的另一端通過導(dǎo)線9與調(diào)制電流源10的正極相連接，所述調(diào)制電流源10與 調(diào)制信號11相連接。
[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材料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] 所述十字波導(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] 所述十字波導(dǎo)交叉拐角處的背景介質(zhì)柱5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6為三角柱型。
[0011] 所述背景硅介質(zhì)柱5的形狀為正方形。
[0012] 所述正方形硅介質(zhì)柱以介質(zhì)柱軸線z軸方向逆時針旋轉(zhuǎn)41度。
[0013] 所述缺陷介質(zhì)柱7為鐵氧體方柱，其形狀為方形，所述的鐵氧體方柱的磁導(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。
[00M] 所述端口 4為調(diào)制輸出端。
[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)便于集成而且高效，可以短程地實現(xiàn)TE載波光波信號調(diào)制器，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)不同波長光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的功能；
[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)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中：輸入端1輸出端2輸出端3輸出端4背景娃介質(zhì)柱5等腰直角三角形缺陷 介質(zhì)柱6缺陷介質(zhì)柱7
[0022] 圖2是本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的另一種結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖中：電磁鐵8導(dǎo)線9調(diào)制電流源10調(diào)制彳目號11
[0024] 圖3是本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器結(jié)構(gòu)參數(shù)分布圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的偏置磁場正弦波形圖。
[0026] 圖5是本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器在一個周期內(nèi)隨偏置磁場變化 時磁導(dǎo)率μΛ的值的關(guān)系圖。
[0027] 圖6是本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制曲線圖。
[0028] 圖7(a)是實施例1中光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制曲線圖。
[0029] 圖7(b)是實施例1中光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制靈敏度圖。
[0030] 圖8(a)是實施例2中光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制曲線圖。
[0031]圖8(b)是實施例2中光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制靈敏度圖。
[0032]圖9(a)是實施例3中光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制曲線圖。
[0033]圖9(b)是實施例3中光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器調(diào)制靈敏度圖。
[0034]圖10是本發(fā)明光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的光場分布示意圖。
【具體實施方式】
[0035]如圖1所示，本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖（刪除了偏 置電路和偏置線圈），包括一個具有ΤΕ禁帶的光子晶體十字波導(dǎo)，該調(diào)制器還包括一個輸入 端1、三個輸出端2、3、4、背景硅介質(zhì)柱5、等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6和缺陷介質(zhì)柱7;本器 件中，光子晶體十字波導(dǎo)的左端為輸入端1，輸出端2、3、4分別位于光子晶體十字波導(dǎo)的下 端、右端、上端;光子晶體波導(dǎo)由端口 1輸入ΤΕ載波光，再從端口 2、3、4任意端口輸出調(diào)幅光； 背景娃介質(zhì)柱5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6為，十字 波導(dǎo)交叉拐角處的背景介質(zhì)柱5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6為三角柱型，4個等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6分別位于十字波導(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7位于十字波導(dǎo)中心交叉處，該 缺陷介質(zhì)柱7為鐵氧體方柱，其形狀為方形，光軸方向垂直紙面向外；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)明基于光子晶體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖（含有偏置電路和偏置線 圈），調(diào)制器包括一個提供偏置磁場的電磁鐵8,一個調(diào)制電流源10和一個調(diào)制信號11，調(diào)制 器還包括導(dǎo)線9;電磁鐵8的一端與調(diào)制電流源10的負極相連接，電磁鐵8的另一端通過導(dǎo)線 9與調(diào)制電流源10的正極相連接；調(diào)制電流源10與調(diào)制信號11相連接。本發(fā)明調(diào)制器如圖1 與圖3所示采用笛卡爾直角坐標系:x軸正方向為水平向右;y軸正方向為豎直向上;z軸正方 向為垂直于紙面向外。
[0036]如圖3所示，本器件的相關(guān)參數(shù)為：
[0037] di = a (晶格常數(shù)）
[0038] d2 = 0.3a (方形娃柱邊長）
[0039] d3 = 0.2217a (正方形缺陷介質(zhì)柱邊長）
[0040] d4=0.3a (等腰直角三角形缺陷柱腰長）
[00411 d5= 1.2997a (等腰直角三角形缺陷柱斜邊到方形缺陷柱中心的距離）
[0042] de= 1.577a (波導(dǎo)寬長）
[0043]本發(fā)明的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)，其光子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)逆時針旋轉(zhuǎn)41度后，獲得了 更大更寬的禁帶范圍。
[0044]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)柱而形成十字波導(dǎo)。波導(dǎo)平面 垂直于光子晶體中的介質(zhì)柱的軸線。通過在上述十字波導(dǎo)中心交叉處引入一個鐵氧體方柱 (正方形缺陷介質(zhì)柱7)，其邊長為0.2217a，4個等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6斜邊面分別到 鐵氧體柱(正方形缺陷介質(zhì)柱7)軸線的距離為1.2997a。鐵氧體方柱的光軸與背景介質(zhì)柱的 光軸方向一致。
[0045]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 率下做進動。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 體十字波導(dǎo)的磁光調(diào)制器。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：
[0047] 磁導(dǎo)率張量的矩陣元由以下方程給出：
[0048] ω〇 = μ〇γΗο (2)
[0049] 〇m=y〇 yMs (3)
[0050] ω =2π f (4)

[0053] 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。
[0054] 偏置磁場由偏置電磁鐵產(chǎn)生，偏置電磁鐵中加載偏置電流，該偏置電流為調(diào)制信 號。
[0055] 通過外加磁場按正弦波形變化來調(diào)節(jié)偏置磁場Η的大小，引起磁導(dǎo)率的改變，從而 改變端口 2、3、4輸出的光的強度，從而實現(xiàn)了對光信號的調(diào)制。
[0056] 設(shè)偏置磁場H = Ho+H1Sin(