磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管制造技术

本发明专利技术公开了一种磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管，它包括一个光输入端口、一个光输出端口、两个磁光材料层、一个介质层和两个偏置磁场；所述光二极管和隔离器由两个磁光材料层和介质层构成；所述光二极管和隔离器的左端为光输入端口，其右端为光输出端口；所述两个磁光材料层间的空隙为介质层；所述磁光材料层与介质层的表面处为磁表面快波；所述两个磁光材料层处分别设置方向相反的偏置磁场，所述磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成。本发明专利技术结构简单，光传输效率高，体积小，便于集成，适合应用于大规模光路集成，具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种磁光材料、磁表面波和光二极管，尤其涉及磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管。
技术介绍
光二极管和隔离器是一种只允许光往一个方向传播的光学器件，应用于阻止不必要的光反馈。传统的光二极管和隔离器的主元件是法拉第旋光器，应用了法拉第效应(磁光效应)作为其工作原理。传统的法拉第隔离器由起偏器，法拉第旋光器和检偏器组成，这种器件结构复杂，通常被应用在自由空间的光系统中。对于集成光路，光纤或波导等集成光器件都是非偏振维持系统，会导致偏振角的损耗，因而不适用法拉第隔离器。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构简单，光传输效率高，体积小，便于集成的磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管。本专利技术的目的通过下述技术方案予以实现。本专利技术一种磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管包括一个光输入端口、一个光输出端口、两个磁光材料层、一个介质层和两个偏置磁场；所述光二极管和隔离器由两个磁光材料层和介质层构成；所 述光二极管和隔离器的左端为光输入端口，其右端为光输出端口；所述两个磁光材料层间的空隙为介质层；所述磁光材料层与介质层的表面处为磁表面快波；所述两个磁光材料层处分别设置方向相反的偏置磁场，所述磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成。所述光二极管由磁光材料层和介质层构成三层结构光波导。所述三层结构波导为TE工作模式波导。所述三层结构为直波导结构。所述磁光材料为磁光玻璃、各种稀土元素掺杂的石榴石或者稀土-过渡金属合金薄膜材料。所述介质层为工作波透明的材料。所述介质层为真空、空气、玻璃或者二氧化硅。所述偏置磁场由电磁铁或永久磁铁产生。本专利技术适合应用于大规模光路集成，具有广泛的应用前景。它与现有技术相比，具有如下积极效果。1.结构简单，便于实现。2.光传输效率高。3.体积小，便于集成。附图说明图1为磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管的结构图。图中：光输入端口1 光输出端口2 第一磁光材料层3 第二磁光材料层4 介质层5 偏置磁场⊙H0(外) 偏置磁场⊕H0(里)介质层厚度w图2为磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管的向右单向导通工作原理图。图3为磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管的正反向传输效率随光波频率变化的第一种实施例曲线图。图4为磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管的正反向传输效率随光波频率变化的第二种实施例曲线图。图5为磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管的正反向传输效率随光波频率变化的第三种实施例曲线图。具体实施方式下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步的阐述。如图1所示，本专利技术磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管包括一个光输入端口1、一个光输出端口2、第一磁光材料层3、第二磁光材料层4、一个介质层5和两个偏置静磁场；光二极管和隔离器由第一磁光材料层3、第一磁光材料层4和介质层5构成；磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成；由第一磁光材料层3、第二磁光材料层4和介质层5构成三层结构光波导，可单向传输光信号，即为光二极管，三层结构为直波导结构，本专利技术波导为TE工作模式波导。第一磁光材料层3和第二磁光材料层4间的空隙为介质层5，介质层5是光能量主要集中的区域，介质层5可以采用工作波透明的材料，也可以采用真空、空气、玻璃、二氧化硅或工作波透明的塑料，最好采用空气或者玻璃。第一磁光材料层3和第二磁光材料层4与介质层5的表面处为磁表面快波；磁光材料为磁光玻璃、各种稀土元素掺杂 的石榴石或者稀土-过渡金属合金薄膜材料；第一磁光材料层3和第二磁光材料层4磁光材料层处分别设置方向相反的偏置磁场,即偏置磁场⊙H0(外)和偏置磁场(里)，偏置磁场由电磁铁或永久磁铁产生，第一磁光材料层3和第二磁光材料层4处于相反方向的偏置磁场H0作用下，当磁光材料层3外加垂直于纸面向外的静磁场H0，而磁光材料层4外加垂直于纸面向里的静磁场H0时，光二极管和隔离器的左端端为光输入端口1，右端为光输出端口2。磁光材料-介质界面所产生的磁表面波是一种类似于金属表面等离子激元(SPP)的现象。磁光材料在偏置静磁场的作用下，磁导率为张量形式，同时，在一定的光波段范围内，其有效折射率为负值。因而，磁光材料的表面能够产生一种导波，且具有单向传播的性能，称为磁表面波(表面磁极化子波，SMP)。本专利技术磁光材料空隙波导磁表面快波光二极管具有磁光材料-介质-磁光材料的三层结构，利用磁光材料-介质界面产生的磁表面快波来进行光的单向传输。本专利技术技术方案是基于磁光材料所具有的光非互易性和磁光材料-介质界面所具有独特的可传导表面波特性，实现光二极管和隔离器的设计。该技术方案的基本原理如下：磁光材料是一种具有磁各向异性的材料，由外加静磁场导致磁光材料内部的磁偶极子按同一方向排列，进而产生磁偶极矩。磁偶极矩将和光信号发生强烈的相互作用，进而产生光的非互易性传输。在方向为垂直纸面向外的偏置磁场H0的作用下，磁光材料的磁导率张量 为：磁导率张量的矩阵元由以下方程组给出：其中，μ0为真空中的磁导率，γ为旋磁比，H0为外加磁场，Ms为饱和磁化强度，ω为工作频率，α为损耗系数。若改变偏置磁场的方向为垂直纸面向里，则H0和Ms将改变符号。磁光材料-介质界面所产生的磁表面波则可以根据磁光材料的磁导率张量和麦克斯韦方程组求解得出。满足表面波(为TE波)在界面存在的电场和磁场应当有如下的形式：其中i＝1代表磁光材料区域，i＝2代表介质区域。代入麦克斯韦方程组：再根据本构关系式和边界条件，可得出关于磁表面波的波矢kz的超越方程：其中，为磁光材料的有效磁导率。此超越方程可以由数值解法求解，最终得到kz的值。也可从方程看出，由于方程包含μκkz的项，所以，磁表面波具有非互易性(单向传播)。可见，若采用磁光材料-介质-磁光材料的三层结构，并在第一磁光材料层3和第二磁光材料层4处加入相反方向的静磁场，那么将构成有效的光二极管。如图2所示，采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，介质层5为空气(n0＝1)，其厚度w为5mm，偏置磁场大小为900Oe，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε1，ε2和磁导率[μ1]，μ2所决定，工作频率为f＝6GHz，YIG材料损耗系数α＝3×10-4第一磁光材料层3处的磁场为垂直纸面向外，而第二磁光材料层4处的磁场为垂直纸面向里，当光从端口1输入时，同时在两个磁光材料-介质界面产生单向正向传输的磁表面波，最后从端口2输出；当光从端口2输入时，由于磁表面波的非互易性导致光波不能够在器件里面反向传输，从而无法从端口1输出，光能量已全部在端口2处被阻挡。本专利技术器件的磁光材料空隙波导光二极管具有磁光材料-介质-磁光材料的三层结构特征，整个器件为平直结构，第一磁光材料层3和第二磁光材料层4的尺寸和介质层5的厚度w可灵活地根据工作波长和实际需求进行选择。改变尺寸对器件性能没有大的影响。下面结合附图给出三个实施例，在实施例中采用钇铁石榴石(YIG)作为磁各向异性材料，偏置磁场大小为900Oe，在第一磁光材料层3处的磁场方向为垂直纸面向外，而第二磁光材料层4处的磁场方向为垂直 纸面向里，介质层5厚度w，YIG材料损耗系数α＝3×10-4，器件的工作频率f由磁光材料和介质的介电常数ε1，ε2和磁导率[μ1]，μ2所决定。实施例1参照图1，磁表面快波光二极管由磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管，其特征在于，其包括一个光输入端口、一个光输出端口、两个磁光材料层、一个介质层和两个偏置磁场；所述光二极管和隔离器由两个磁光材料层和介质层构成；所述光二极管和隔离器的左端为光输入端口，其右端为光输出端口；所述两个磁光材料层间的空隙为介质层；所述磁光材料层与介质层的表面处为磁表面快波；所述两个磁光材料层处分别设置方向相反的偏置磁场，所述磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成。

【技术特征摘要】
1.一种磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管，其特征在于，其包括一个光输入端口、一个光输出端口、两个磁光材料层、一个介质层和两个偏置磁场；所述光二极管和隔离器由两个磁光材料层和介质层构成；所述光二极管和隔离器的左端为光输入端口，其右端为光输出端口；所述两个磁光材料层间的空隙为介质层；所述磁光材料层与介质层的表面处为磁表面快波；所述两个磁光材料层处分别设置方向相反的偏置磁场，所述磁表面快波光二极管由磁光材料空隙波导构成。2.按照权利要求1所述的磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管，其特征在于：所述光二极管由磁光材料层和介质层构成三层结构光波导。3.按照权利要求1所述的磁光材料空隙波导磁表面波的光二极管，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳征标，郑耀贤，王琼，
申请(专利权)人：欧阳征标，
类型：发明
国别省市：广东;44