本發(fā)明涉及一種磁光材料、表面波和光二極管，具體涉及一種無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管。
背景技術(shù)：
：光二極管和隔離器是一種只允許光往一個(gè)方向傳播的光學(xué)器件，應(yīng)用于阻止不必要的光反饋。傳統(tǒng)的光二極管和隔離器的主元件是法拉第旋光器，應(yīng)用了法拉第效應(yīng)(磁光效應(yīng))作為其工作原理。傳統(tǒng)的法拉第隔離器由起偏器、法拉第旋光器和檢偏器組成，這種器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜通常被應(yīng)用在自由空間的光系統(tǒng)中。對于集成光路，光纖或波導(dǎo)等集成光器件都是非偏振維持系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致偏振角的損耗，因而不適用法拉第隔離器。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：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)簡單，光傳輸效率高，體積小，便于集成的無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管。本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管包括一個(gè)光輸入端口、一個(gè)光輸出端口、兩個(gè)磁光材料層、一個(gè)介質(zhì)層、四個(gè)吸波層和兩個(gè)偏置靜磁場；所述光二極管和隔離器由兩個(gè)磁光材料層和介質(zhì)層構(gòu)成；所述光二極管和隔離器的左端為光輸入端口，其右端為光輸出端口；所述兩個(gè)磁光材料層間的空隙為介質(zhì)層；所述磁光材料層與介質(zhì)層的表面處為磁表面快波；所述兩個(gè)磁光材料層處分別設(shè)置方向相反的偏置磁場，所述磁表面快波光二極管由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成。所述光二極管由磁光材料層和介質(zhì)層構(gòu)成三層結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)；所述三層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)為TE工作模式波導(dǎo)。所述三層結(jié)構(gòu)為直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。所述磁光材料為磁光玻璃、各種稀土元素?fù)诫s的石榴石或者稀土-過渡金屬合金薄膜材料。所述介質(zhì)層為工作波透明的材料。所述介質(zhì)層為真空、空氣、玻璃、二氧化硅或工作波透明的塑料。所述四個(gè)吸波層均分別與所述光波導(dǎo)表面的距離為1/4至1/2波長；所述四個(gè)吸波層的厚度均分別不小于1/4波長。所述吸波層為相同或不同的吸波材料；吸波層材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨熱塑性材料混合體、硼纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨纖維環(huán)氧樹脂混合體、環(huán)氧聚硫、硅橡膠、尿烷、氟彈性體、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳砜或者聚乙烯亞胺。所述偏置磁場由電磁鐵或永久磁鐵產(chǎn)生。本發(fā)明適合應(yīng)用于大規(guī)模光路集成，具有廣泛的應(yīng)用前景。它與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下積極效果。1.結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)。2.光傳輸效率高。3.體積小，便于集成。附圖說明圖1為無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管的結(jié)構(gòu)圖。圖中：光輸入端口1光輸出端口2磁光材料3磁光材料4介質(zhì)層5第一吸波層6第二吸波層7第三吸波層8第四吸波層9偏置磁場⊙H0(外)偏置磁場(里)介質(zhì)層厚度w吸波層與波導(dǎo)之間的距離為w1圖2為無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管的向右單向?qū)üぷ髟韴D。圖3為無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第一種實(shí)施例曲線圖。圖4為無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第二種實(shí)施例曲線圖。圖5為無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第三種實(shí)施例曲線圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述。如圖1所示，本發(fā)明無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面波的光二極管包括一個(gè)光輸入端口1、一個(gè)光輸出端口2、第一磁光材料層3、第二磁光材料層4、一個(gè)介質(zhì)層5、第一吸波層6、第二吸波層7、第三吸波層8、第四吸波層9和兩個(gè)偏置靜磁場；光二極管和隔離器由第一磁光材料層3、第二磁光材料層4和介質(zhì)層5構(gòu)成；光二極管和隔離器的左端為光輸入端口1，其右端為光輸出端口2；磁表面快波光二極管由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成；由第一磁光材料層3、第二磁光材料層4和介質(zhì)層5構(gòu)成三層結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，可單向傳輸光信號，即為光二極管，三層結(jié)構(gòu)為直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明波導(dǎo)為TE工作模式波導(dǎo)。第一磁光材料層3和第二磁光材料層4間的空隙為介質(zhì)層5，介質(zhì)層5是光能量主要集中的區(qū)域，介質(zhì)層5可以采用工作波透明的材料，也可以采用真空、空氣、玻璃、二氧化硅或工作波透明的塑料。第一磁光材料層3、第二磁光材料層4與介質(zhì)層5的表面處為磁表面快波；磁光材料為磁光玻璃、各種稀土元素?fù)诫s的石榴石或者稀土-過渡金屬合金薄膜材料；第一磁光材料層3和第二磁光材料層4處分別設(shè)置方向相反的偏置磁場,即偏置磁場⊙H0(外)和偏置磁場(里)，偏置磁場由電磁鐵或永久磁鐵產(chǎn)生，第一磁光材料層3和第二磁光材料層4處于相反方向的偏置磁場H0作用下，當(dāng)?shù)谝淮殴獠牧蠈?外加垂直于紙面向外的靜磁場H0，而第二磁光材料層4外加垂直于紙面向里的靜磁場H0時(shí)，光二極管和隔離器的左端口1為光輸入端口，右端口2為光輸出端口；第一吸波層6、第二吸波層7、第三吸波層8和第四吸波層9為相同或不同的吸波材料，該吸波層材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨熱塑性材料混合體、硼纖維環(huán)氧樹脂混合體、石墨纖維環(huán)氧樹脂混合體、環(huán)氧聚硫、硅橡膠、尿烷、氟彈性體、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚砜(PES)、聚芳砜(PEI)或者聚乙烯亞胺(PAS)。第一吸波層6、第二吸波層7、第三吸波層8和第四吸波層9與光波導(dǎo)表面的距離分別為1/4至1/2波長；第一吸波層6、第二吸波層7、第三吸波層8和第四吸波層9的厚度均分別不小于1/4波長。磁光材料-介質(zhì)層界面所產(chǎn)生的磁表面波是一種類似于金屬表面等離子激元(SPP)的現(xiàn)象。磁光材料在偏置靜磁場的作用下，磁導(dǎo)率為張量形式，同時(shí)，在一定的光波段范圍內(nèi)，其有效折射率為負(fù)值。因而，磁光材料的表面能夠產(chǎn)生一種導(dǎo)波，且具有單向傳播的性能，稱為磁表面波(表面磁極化子波，SMP)。本發(fā)明無泄漏磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管，將磁光材料-介質(zhì)-磁光材料三層結(jié)構(gòu)波導(dǎo)和四個(gè)吸波層組合，利用磁光材料-介質(zhì)界面產(chǎn)生的磁表面快波來進(jìn)行光的單向傳輸，吸波層吸收無用波，消除光路干擾。本發(fā)明技術(shù)方案是基于磁光材料所具有的光非互易性和磁光材料-介質(zhì)界面所具有獨(dú)特的可傳導(dǎo)表面波特性，實(shí)現(xiàn)光二極管和隔離器的設(shè)計(jì)。該技術(shù)方案的基本原理如下：磁光材料是一種具有磁各向異性的材料，由外加靜磁場導(dǎo)致磁光材料內(nèi)部的磁偶極子按同一方向排列，進(jìn)而產(chǎn)生磁偶極矩。磁偶極矩將和光信號發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生光的非互易性傳輸。在方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲獾钠么艌鯤0的作用下，磁光材料的磁導(dǎo)率張量為：[μ1]=μriμκ0-iμκμr000μ0,---(1)]]>磁導(dǎo)率張量的矩陣元由以下方程組給出：μr=μ0(1+ωm(ω0-iαω)(ω0-iαω)2-ω2),μκ=μ0ωmω(ω0-iαω)2-ω2,ω0=μ0γH0,ωm=μ0γMs,---(2)]]>其中，μ0為真空中的磁導(dǎo)率，γ為旋磁比，H0為外加磁場，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，ω為工作頻率，α為損耗系數(shù)。若改變偏置磁場的方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮瑒tH0和Ms將改變符號。磁光材料-介質(zhì)層的界面所產(chǎn)生的磁表面波則可以根據(jù)磁光材料的磁導(dǎo)率張量和麥克斯韋方程組求解得出。滿足表面波(TE波)在界面存在的電場和磁場應(yīng)當(dāng)有如下的形式：Ei=exi00ei(kzz+kyiy-ωt),Hi=0hyihziei(kzz+kyiy-ωt)---(3)]]>其中i＝1代表磁光材料區(qū)域，i＝2代表介質(zhì)區(qū)域。代入麥克斯韋方程組：▿×Ei=-j∂Exi∂z-k∂Exi∂y=-∂Bi∂t,▿×Hi=-∂Di∂t,---(4)]]>再根據(jù)本結(jié)構(gòu)關(guān)系式和邊界條件，可得出關(guān)于磁表面波的波矢kz的超越方程：μeμ0ω2μ0ϵ0-kz2+ω2μeϵ1-kz2-jμkμrkz=0,---(5)]]>其中，為磁光材料的有效磁導(dǎo)率。此超越方程可以由數(shù)值解法求解，最終得到kz的值。也可從方程看出，由于方程包含μκkz的項(xiàng)，所以，磁表面波具有非互易性(單向傳播)。可見，若采用第一磁光材料3、第二磁光材料4和介質(zhì)層5的三層結(jié)構(gòu)，并在第一磁光材料3和第二磁光材料4處加入相反方向的靜磁場，那么將構(gòu)成有效的光二極管。如圖2所示，采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，介質(zhì)層5為空氣(n0＝1)，偏置磁場大小為900Oe，介質(zhì)層5的厚度w＝5mm，第一吸波層6、第二吸波層7、第三吸波層8和第四吸波層9均分別與波導(dǎo)之間的距離分別w1＝5mm，器件的工作頻率f由磁光材料和介質(zhì)的介電常數(shù)ε1，ε2和磁導(dǎo)率[μ1]，μ2所決定，工作頻率為f＝6GHz，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4。第一磁光材料層3處的磁場為垂直紙面向外，而第二磁光材料層4處的磁場為垂直紙面向里，當(dāng)光從端口1輸入時(shí)，同時(shí)在第一磁光材料材料層3、第二磁光材料層4和介質(zhì)層5的界面產(chǎn)生單向正向傳輸?shù)拇疟砻娌ǖ墓舛O管和隔離器(器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波)，最后從端口2輸出；當(dāng)光從端口2輸入時(shí)，由于磁表面波的非互易性，由于器件的非互易性導(dǎo)致其內(nèi)部無法傳播反向的光波，光波不能夠在器件里面反向傳輸，從而無法從端口1輸出，光能量已全部在端口2處被阻擋。本發(fā)明器件的磁光材料空隙波導(dǎo)光二極管具有磁光材料-介質(zhì)-磁光材料的三層結(jié)構(gòu)特征，第一磁光材料層3和第二磁光材料4的尺寸和介質(zhì)層厚度w可靈活地根據(jù)工作波長和實(shí)際需求進(jìn)行選擇。改變尺寸對器件性能沒有大的影響。下面結(jié)合附圖給出三個(gè)實(shí)施例，在實(shí)施例中采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，偏置磁場大小為900Oe，第一磁光材料3處的磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲猓诙殴獠牧?處的磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶?，第一吸波?、第二吸波層7、第三吸波層8和第四吸波層9均分別與波導(dǎo)之間的距為w1＝5mm，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4，器件的工作頻率f由磁光材料和介質(zhì)的介電常數(shù)ε1，ε2和磁導(dǎo)率[μ1]，μ2所決定。實(shí)施例1參照圖1，磁表面快波光二極管由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成，介質(zhì)層5為空氣(n0＝1)，其厚度w＝5mm。在工作頻段內(nèi)，從端口1輸入的光波將在器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波，進(jìn)而通過器件從端口2輸出；而從端口2輸入的光波將被器件所阻擋，無法從端口1輸出。參照圖3，直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光二極管和隔離器的工作頻率范圍是5.02GHz～7.36GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，光二極管和隔離器最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為32.8dB，正向傳輸插入損耗為0.00369dB。實(shí)施例2參照圖1，磁表面快波光二極管由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成，介質(zhì)層5為空氣(n0＝1)，其厚度w＝7mm。在工作頻段內(nèi)，從端口1輸入的光波將在器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波，進(jìn)而通過器件從端口2輸出；而從端口2輸入的光波將被器件所阻擋，無法從端口1輸出。參照圖4，直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光二極管和隔離器的工作頻率范圍是5.00GHz～7.36GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，光二極管和隔離器最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為31.7dB，正向傳輸插入損耗為0.00295dB。實(shí)施例3參照圖1，磁表面快波光二極管由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成，介質(zhì)層5為玻璃(n0＝1.5)，其厚度w＝5mm。在工作頻段內(nèi)，從端口1輸入的光波將在器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波，進(jìn)而通過器件從端口2輸出；而從端口2輸入的光波將被器件所阻擋，無法從端口1輸出。參照圖5，直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光二極管和隔離器的工作頻率范圍是4.94GHz～7.78GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，光二極管和隔離器最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為33.0dB，正向傳輸插入損耗為0.00217dB。由圖4和圖5不同參數(shù)的磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管的傳輸效率曲線圖可以得到磁光材料空隙波導(dǎo)所傳輸磁表面快波的光頻率范圍，即光二極管的工作頻率范圍。從結(jié)果可知，本發(fā)明基于磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波光二極管是能夠有效工作的。以上所述本發(fā)明在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍均有改進(jìn)之處，不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明限制。當(dāng)前第1頁1 2 3