一种可调谐单向交叉波导分配器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种可调谐单向交叉波导分配器，属于微型光电子器件领域。其包括介质基板，第一、二、三、四阵列分别位于介质基板的四角，并形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，第一阵列和第四阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱和第二增益柱，第二阵列和第三阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱和第二损耗柱，第一增益柱、第二增益柱与第一损耗柱、第二损耗柱满足宇称‑时间对称条件，第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列根据需要分别施加外磁场。本实用新型专利技术的波导分配器在不同的外磁场下，可实现电磁波在设计的任意1～4个通道的选择传播，也可在任意通道实现电磁的局域化。

A tunable unidirectional cross waveguide distributor

【技术实现步骤摘要】
一种可调谐单向交叉波导分配器
本技术属于微型光电子器件领域，具体地说，涉及一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器。
技术介绍
近年来，人工带隙材料尤其是光子晶体由于其优越的性能，已成为新一代智能材料的研究焦点，尤其是人工带隙材料的拓扑性质更是受到人们的广泛关注，其特有的鲁棒边界态，具有缺陷免疫，背向散射抑制的传输特性，潜在应用前景巨大。在量子力学系统中，若系统的哈密顿满足且与算符具有共同的本征矢量，那么系统具有非破缺的PT对称性，即哈密顿的势函数满足实部偶对称而虚部奇对称是系统具有非破缺PT(宇称-时间)对称性的必要非充分条件，反之为破缺的PT对称性。虽然PT对称性在量子力学领域的含义仍在研究中，但是这些基本概念中有部分可以在光学中实现。在光子晶体波导中加入增益材料和耗散材料，由于波导系统增益材料和耗散材料的复数折射率同时满足折射率实部偶对称而虚部奇对称的条件及折射率实部相同而虚部相反，可以构成波导体系中PT对称系统。近年来，PT对称的光学波导体系被发现有很多独特的光学性质，在光子信息处理以及集成光学方面具有重要的应用价值，PT对称系统中出现的众多奇异现象如光能量振荡现象、非互易性的光传输，信号放大透射增强，光隔离等等，有巨大的潜在应用。由磁光材料制成的磁光光子晶体具有频率依赖性的非对称磁导率张量。在外加直流磁场下，磁光材料具有非零和非对称非对角元素的各向异性磁导率或介电常数张量。能带结构是光子晶体特有的属性，在外静态磁场作用下，各向异性性质磁光材料构成的光子晶体禁带在Dirac点被打开，形成单向边态，打破了时间反转，呈现出单一群速度的的单向传播特性。将磁光材料与PT结构相结合，形成一种特有可控新型材料结构。将此结构运用到二维光子晶体及波导设计中会产生特殊的光学传播特性。公开日为2014年10月15日的中国专利201410363260.5公开了一种基于光子晶体波导的十字型环形器，信号可以从4个端口进入，但是只能从正交的相邻的端口输出；公开日为2015年4月29日的中国专利201410515362.4公开了一种紧凑型六端口光子晶体环形器，虽然有六个端口，但是同样只能从端口进入，从相邻端口输出，无法控制信号输出的方向和信号输出通道的数量，只能单向进入，确定方向单向输出，信号输出模式单一。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本技术的目的在于提供一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，可以实现单一端口信号输入，信号可控端口输出，可以实现L型、T型、横型等不同通道的传输，另外当信号作用在中心位置时，有多种传输方式，实现信号输出模式多样化。为了解决上述问题，本技术所采用的技术方案如下：一种基于PT对称结构与磁光子晶体的可调谐单向交叉波导分配器，包括介质基板和位于所述的介质基板上的光子晶体圆柱阵列，所述的光子晶体圆柱阵列包括分别位于所述的介质基板的四角的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，所述的第一阵列和第四阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱和第二增益柱，所述的第二阵列和第三阵列的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱和第二损耗柱，所述的第一增益柱和第二增益柱在泵浦光下呈现增益状态，所述的第一损耗柱和第二损耗柱在没有泵浦光时呈现高损耗状态，所述的第一增益柱、第二增益柱与所述的第一损耗柱、第二损耗柱满足宇称-时间对称条件，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列根据需要分别施加外磁场。进一步地，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列的光子晶体柱材质为磁光子晶体。更进一步地，所述磁光子晶体为铁氧体钇铁石榴石；在外加磁场下其相对介电常数为15ε0，ε0为真空介电常数，相对磁导率为张量形式，在1600高斯的静态外磁场下，μ1＝14，μ2＝±12.4，μ2的方向由外磁场的方向决定，i是虚数单位。进一步地，所述的第一阵列、第二阵列、第三阵列和第四阵列为晶格常数为a的正方晶格结构，所述的第一增益柱、第一损耗柱、第二损耗柱和第二增益柱为单排结构。更进一步地，光子晶体柱的半径为0.145a。更进一步地，所述的单排结构的圆柱间距为a，圆柱的半径为0.20a。进一步地，所述的第一增益柱和第二增益柱的相对介电常数为9-0.25i，所述的第一损耗柱和第二损耗柱的相对介电常数为9+0.25i，i为虚数单位，增益柱和损耗柱的相对磁导率为1。更进一步地，所述的十字交叉的光子晶体波导的宽度为0.6a～1.5a。相比于现有技术，本技术的有益效果为：(1)本技术的可调谐单向交叉波导分配器结合磁光介质与PT对称结构信号放大的优点，通过四部分光子晶体圆柱阵列外加磁场正负方向的改变，实现了信号传输方向完全可控，当单一端口进入时，可以选择性从单个通道或者多个通道输出，并且信号可以正交准直90°弯曲输出，也可以T型输出和直通道输出，这在设计光集成器件和光通信系统中有广阔的应用前景；当点源激发在中心位置时，可以通过外加磁场的变化，实现任意单个通道输出，横向或者纵向两个通道输出，当四部分都没有外加磁场时，可以实现四通道信号全输出；当外加相同方向磁场时，可实现光信号的局域化和电磁信号的存储。(2)本技术的可调谐单向交叉波导分配器，是磁光材料的单向边界传输特性与PT对称结构，其非互易传输性质是受拓扑保护，该特性不同于普通的单边态，而是同时打破时间反演对称性与空间反演对称性导致的非互易性禁带中的单边态，具有明显的鲁棒性所以传输非常稳定，不因障碍物的存在而改变单向传输特性；同时后向散射抑制效果好，非互异性效果明显；可通过外磁场方向任意控制单边态的传播方向。(3)本技术是利用磁光材料和PT对称结构时间和空间反演不对称性，产生特殊的单向边界态，而且这种具有拓扑结构的光器件，有极高的信噪比，可大大提高器件性能，而且对于免疫缺陷，受拓扑保护的对加工精度的要求并不苛刻，不依赖于极端的实验室环境，传输性能稳定。(4)本技术的磁光材料的功分器属于微光电子器件，尺寸在纳米级别，传输效率高，可实现集成化。附图说明图1为本技术的可调谐单向交叉波导分配器的结构示意图；图中：1、第一阵列；2、第二阵列；3、第三阵列；4、第四阵列；5、第一通道；6、第二通道；7、第三通道；8、第四通道；9、第一增益柱；10、第一损耗柱；11、第二损耗柱；12、第二增益柱。图2为超胞采用上正下负的外磁场得到的能带图。图3为实施例1得到的稳态电场Ez。图4为实施例2得到的稳态电场Ez。图5为实施例3得到的稳态电场Ez。图6为实施例4得到的稳态电场Ez。图7～10为实施例5得到的稳态电场Ez；图7为第一阵列1和第二阵列2外加负方向磁场，第三阵列3和第四阵列4外加正方向磁场；图8为第一阵列1和第二阵列2外加正方向磁场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可调谐单向交叉波导分配器，包括介质基板和位于所述的介质基板上的光子晶体圆柱阵列，其特征在于，所述的光子晶体圆柱阵列包括分别位于所述的介质基板的四角的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，所述的第一阵列(1)和第四阵列(4)的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱(9)和第二增益柱(12)，所述的第二阵列(2)和第三阵列(3)的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)，所述的第一增益柱(9)和第二增益柱(12)在泵浦光下呈现增益状态，所述的第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)在没有泵浦光时呈现高损耗状态，所述的第一增益柱(9)、第二增益柱(12)与所述的第一损耗柱(10)、第二损耗柱(11)满足宇称-时间对称条件，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)根据需要分别施加外磁场，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)为晶格常数为a的正方晶格结构，所述的第一增益柱(9)、第一损耗柱(10)、第二损耗柱(11)和第二增益柱(12)为单排结构。/n...

【技术特征摘要】
1.一种可调谐单向交叉波导分配器，包括介质基板和位于所述的介质基板上的光子晶体圆柱阵列，其特征在于，所述的光子晶体圆柱阵列包括分别位于所述的介质基板的四角的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)形成具有四个端口的十字交叉的光子晶体波导，所述的第一阵列(1)和第四阵列(4)的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一增益柱(9)和第二增益柱(12)，所述的第二阵列(2)和第三阵列(3)的靠近交叉波导中心的拐角处分别设置第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)，所述的第一增益柱(9)和第二增益柱(12)在泵浦光下呈现增益状态，所述的第一损耗柱(10)和第二损耗柱(11)在没有泵浦光时呈现高损耗状态，所述的第一增益柱(9)、第二增益柱(12)与所述的第一损耗柱(10)、第二损耗柱(11)满足宇称-时间对称条件，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)根据需要分别施加外磁场，所述的第一阵列(1)、第二阵列(2)、第三阵列(3)和第四阵列(4)为晶格常数为a的正方晶格结构，所述的第一增益柱(9)、第一损耗柱(10)、第二损耗柱(11)和第二增益柱(12)为单排结构。


2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓萌，余观夏，朱剑刚，梅长彤，赵莉，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32