本發(fā)明涉及一種磁光材料、磁表面波和光二極管，具體涉及一種磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管。
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)的法拉第隔離器由三起偏器，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)簡單有效、光傳輸效率高、體積小，便于集成的磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管。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)明磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管包括一個(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)層和兩個(gè)偏置磁場；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或光輸出端口，其右端為光輸出端口或光輸入端口；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，且方向可控；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。所述偏置磁場由電磁鐵產(chǎn)生或者由永久磁鐵提供，電磁鐵的電流為方向可控電流，永久磁鐵能旋轉(zhuǎn)。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為磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管的結(jié)構(gòu)圖。圖1(a)：光輸入端口1光輸出端口2第一磁光材料層3第二磁光材料層4介質(zhì)層5偏置磁場⊙H0(外)偏置磁場介質(zhì)層厚度w圖1(b)：光輸出端口1光輸入端口2第一磁光材料層3第二磁光材料層4介質(zhì)層5偏置磁場偏置磁場⊙H0(外)介質(zhì)層厚度w圖2為磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管的向右單向?qū)üぷ髟韴D。圖3為磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管的向左單向?qū)üぷ髟韴D。圖4為磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控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5為磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控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6為磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控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)施方式如圖1所示，本發(fā)明磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管包括一個(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、第一磁光材料層4和介質(zhì)層5構(gòu)成；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，最好采用空氣或者玻璃。第一磁光材料層3和第二磁光材料層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磁光材料層處分別設(shè)置方向相反可控的偏置磁場,即偏置磁場⊙H0(外)和偏置磁場，外加磁場H0由電流方向可控的電磁鐵產(chǎn)生或者由能旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵提供，所以可以控制電流方向來改變光二極管的導(dǎo)通方向，或者通過旋轉(zhuǎn)永久磁體來改變。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，調(diào)節(jié)磁光材料層3外加垂直于紙面向外的靜磁場H0，而磁光材料層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端口1為光輸入端口，端口2為光輸出端口；反之，調(diào)節(jié)第一磁光材料層3外加垂直于紙面向里的靜磁場H0，而第二磁光材料層4外加垂直于紙面向外的靜磁場H0時(shí)，光二極管和隔離器的端口2為光輸入端口，端口1為光輸出端口。磁光材料-介質(zhì)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)明一種磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管，具有磁光材料-介質(zhì)-磁光材料的三層結(jié)構(gòu)，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，利用電流方向可控的電磁鐵來控制光二極管的導(dǎo)通方向。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)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(為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)。而從方程的解可以得出，當(dāng)改變磁場為反向時(shí)，光二極管的導(dǎo)通方向也變?yōu)橄喾捶较?。可見，若采用磁光材?介質(zhì)-磁光材料的三層結(jié)構(gòu)，并在第一磁光材料層3和第二磁光材料層4處加入相反方向的磁場，而且由電流控制電磁鐵磁場方向，那么將構(gòu)成有效的方向可控光二極管。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)層為空氣(n0＝1)，偏置磁場大小為900Oe，介質(zhì)層5的厚度w＝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處的磁場方向垂直紙面向外，而第二磁光材料層4處的磁場方向垂直紙面向里時(shí)，當(dāng)光從端口1輸入時(shí)，將同時(shí)在兩個(gè)磁光材料-介質(zhì)界面產(chǎn)生單向正向傳輸?shù)拇疟砻娌ǎ詈髲亩丝?輸出，即方向可控光二極管的向右單向?qū)ǎ划?dāng)光從端口2輸入時(shí)，由于磁表面波的非互易性導(dǎo)致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。光二極管的導(dǎo)通方向由外加磁場的方向所決定，當(dāng)同時(shí)改變第一磁光材料層3和第二磁光材料層4所加入的磁場方向時(shí)，如圖3所示，采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，介質(zhì)層為空氣(n0＝1)，偏置磁場大小為900Oe，介質(zhì)層5的厚度w＝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里，而第二磁光材料層4處的磁場為垂直紙面向外，二極管的導(dǎo)通方向是相反的。當(dāng)光波從端口1輸入時(shí)，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，端口2沒有任何光輸出，光能量已全部在端口1處被阻擋；當(dāng)光波從端口2輸入時(shí)，能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波，繼而從端口1輸出，即方向可控光二極管的向左單向?qū)?。本發(fā)明器件的磁光材料空隙波導(dǎo)方向可控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，整個(gè)器件為平直結(jié)構(gòu)，第一磁光材料層、第二磁光材料層的尺寸和介質(zhì)層5的厚度w可靈活地根據(jù)工作波長和實(shí)際需求選擇。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，偏置磁場由電流方向可控的電磁鐵產(chǎn)生，大小為900Oe，方向?qū)Q定二極管的導(dǎo)通方向，介質(zhì)層5的厚度w，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(a)和(b)，由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成磁表面快波方向可控光二極管，介質(zhì)層5為空氣(n0＝1)，其厚度w＝5mm。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制3處的磁場方向垂直紙面向外，4處的磁場方向垂直紙面向里，光二極管將從端口”到端口2導(dǎo)通；相反，控制3處磁場方向垂直紙面向里，4處的磁場方向垂直紙面向外，光二極管將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。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5.02GHz～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35.3991dB，正向傳輸插入損耗為0.0016dB。實(shí)施例2參照圖1(a)和(b)，由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成磁表面快波方向可控光二極管，介質(zhì)層5為空氣(n0＝1)，其厚度w＝7mm。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制第一磁光材料層3處的磁場方向垂直紙面向外，第二磁光材料層4處的磁場方向垂直紙面向里，光二極管將從端口1到端口2導(dǎo)通；相反，控制第一磁光材料層3處的磁場方向垂直紙面向里，第二磁光材料層4處的磁場方向垂直紙面向外，光二極管將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。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35.5104dB，正向傳輸插入損耗為0.0014dB。實(shí)施例3參照圖1(a)和(b)，由磁光材料空隙波導(dǎo)構(gòu)成磁表面快波方向可控光二極管，介質(zhì)層5為玻璃(n0＝1.5)，其厚度w＝5mm。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制第一磁光材料層3處的磁場方向垂直紙面向外，第二磁光材料層4處的磁場方向垂直紙面向里，光二極管將從端口1到端口2導(dǎo)通；相反，控制第一磁光材料層3處磁場方向垂直紙面向里，第二磁光材料層4處的磁場方向垂直紙面向外，光二極管將從端口2到端口1導(dǎo)通。此兩種情況的正反向傳輸效率相同。參照圖6，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39.9206dB，正向傳輸插入損耗為0.0007dB。由圖4、圖5和圖6不同參數(shù)的磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控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，即方向可控光二極管的工作頻率范圍。從結(jié)果可知，本發(fā)明磁光材料空隙波導(dǎo)磁表面快波方向可控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