本發(fā)明涉及一種磁光材料、磁表面波、單向傳輸和拐彎波導(dǎo)，具體涉及一種低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
：拐彎波導(dǎo)是一種作為變換光路用的光器件，其在光波導(dǎo)器件中占據(jù)重要的地位。由于光波導(dǎo)中光束傳播方向的改變、光束傳輸軸位移和降低器件體積的需要，光波導(dǎo)中的彎曲是必需的。波導(dǎo)彎曲會引起波導(dǎo)材料在光的傳輸方向上光學(xué)特性分布的變化，使得拐彎波導(dǎo)具備較高的損耗。拐彎波導(dǎo)領(lǐng)域已有廣泛的研究，其中弧形轉(zhuǎn)向型拐彎波導(dǎo)是目前此方面研究的主要內(nèi)容。但即使是這種類型的波導(dǎo)，其所存在的彎曲損耗和過渡損耗仍然嚴(yán)重制約了傳輸效率。此外結(jié)構(gòu)缺陷等也會給波導(dǎo)帶來其他方面的損耗。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)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單有效，低損耗、光傳輸效率高，體積小，便于集成的低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)。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)明低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)包括一個(gè)光輸入端口1、一個(gè)光輸出端口2、兩個(gè)磁光材料層3、4、一個(gè)介質(zhì)層5和兩個(gè)相反方向的偏置磁場；所述磁光材料層3、4和介質(zhì)層5為一個(gè)三層結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，所述三層結(jié)構(gòu)為任意角度彎曲形，在所述磁光材料層3、4處設(shè)置有兩個(gè)方向相反的偏置磁場，且方向可控；所述磁光材料層3、4間的空隙為介質(zhì)層5，所述單向拐彎波導(dǎo)的端口1為光輸入端口，其右端口2為光輸出端口；所述介質(zhì)層5在波導(dǎo)彎曲部分為圓環(huán)形狀；所述磁光材料層3、4與介質(zhì)層5的表面處為磁表面快波。光二極管和隔離器由磁光材料層3、4和介質(zhì)層5構(gòu)成。所述磁光材料為磁光玻璃或者各種稀土元素?fù)诫s的石榴石和稀土-過渡金屬合金薄膜等材料。所述磁光材料層3、4和介質(zhì)層5通過任意角度彎曲形與光輸入端和光輸出端連接。所述介質(zhì)層5為真空、空氣、二氧化硅或工作波透明的塑料。所述三層結(jié)構(gòu)為平直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。所述任意角度彎曲形為30度拐彎形狀、45度拐彎形狀、60度拐彎形狀、90度拐彎形狀、120度拐彎形狀、135度拐彎形狀、150度拐彎形狀、180度拐彎形狀。所述偏置磁場由電流方向可控電磁鐵或永久磁鐵產(chǎn)生，電磁鐵的電流為方向可控電流，永久磁鐵能旋轉(zhuǎn)。所述方向可控拐彎波導(dǎo)或單向拐彎波導(dǎo)由磁光空隙波導(dǎo)構(gòu)成。所述單向拐彎波導(dǎo)的工作模式為TE模式。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，有如下積極效果。1.結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)。2.體積小，便于集成。3.磁表面波具備對結(jié)構(gòu)缺陷的免疫特性，具有超低損耗、超高傳輸效率，被廣泛應(yīng)用到各種光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)中。附圖說明圖1為低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。圖中：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偏置磁場⊕H0介質(zhì)層厚度w圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r圓環(huán)的外圓弧半徑r+w圖2為低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)的第一種工作原理圖。圖3為低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)第二種工作原理圖。圖4為磁光空隙單向拐彎波導(dǎo)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為磁光空隙單向拐彎波導(dǎo)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為磁光空隙單向拐彎波導(dǎo)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。圖7為磁光空隙單向拐彎波導(dǎo)的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第四實(shí)施例曲線圖。具體實(shí)施方式如圖1所示，本發(fā)明的低損型磁光空隙磁表面快模任意角單向拐彎波導(dǎo)包括一個(gè)光輸入端口1、一個(gè)光輸出端口2、第一個(gè)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)相反方向的偏置磁場，且方向可控；單向拐彎波導(dǎo)由磁光空隙波導(dǎo)構(gòu)成，本發(fā)明單向拐彎波導(dǎo)的工作模式為TE模式，第一磁光材料層3、第二磁光材料層4和介質(zhì)層5為一個(gè)三層結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)，光波導(dǎo)可以單向傳輸光信號，用作光二極管和隔離器，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。三層結(jié)構(gòu)為平直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該三層結(jié)構(gòu)為任意角度彎曲形，任意角度彎曲的形狀為圓弧形(弧形轉(zhuǎn)向型拐彎波導(dǎo))，拐彎角度可以為0度至180度之間的任意角，單向拐彎波導(dǎo)的彎曲角度也可以采用0度至180度之間的角度；本發(fā)明可以采用任意拐彎角度為10度、50度和170度，也可以采用波導(dǎo)拐彎角度為：30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°。其中圖1(a)單向拐彎角度為30度、圖1(b)單向拐彎角度為45度、圖1(c)單向拐彎角度為60度、圖1(d)、(i)單向拐彎角度為90度、圖1(e)單向拐彎角度為120度、圖1(f)單向拐彎角度為135度、圖1(g)單向拐彎角度為150度、圖1(h)單向拐彎角度為180度。例如，當(dāng)拐彎角度為45°時(shí)，為八分之一個(gè)圓環(huán)；當(dāng)拐彎角度為90度時(shí)，為四分之一個(gè)圓環(huán)；當(dāng)拐彎角度為180度時(shí)，為半個(gè)圓環(huán)等，以此類推。由于本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)滿足對稱守恒，也就是其對應(yīng)的鏡像結(jié)構(gòu)也同樣可以有效工作，因而圖1(d)和(i)兩者結(jié)構(gòu)鏡像對稱，具備同樣的工作特性。第一磁光材料層3、第二磁光材料層4和介質(zhì)層5通過任意角度彎曲形與光輸入端口1和光輸出端口2連接。介質(zhì)層5是光能量主要集中的區(qū)域，第一磁光材料3和第二磁光材料4間的空隙為介質(zhì)層5，介質(zhì)層5在波導(dǎo)彎曲部分為圓環(huán)形狀，圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑為r，其外圓弧半徑則為r+w，彎曲部分的長短取決于拐彎角度；介質(zhì)層5采用真空、空氣、二氧化硅(玻璃)或?qū)ぷ鞑ㄍ该鞯乃芰?。磁光材料?、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可以單向傳輸光信號，第一磁光材料層3和第二磁光材料層4和介質(zhì)層5的表面處為磁表面快波。磁光材料為磁光玻璃或者各種稀土元素?fù)诫s的石榴石和稀土-過渡金屬合金薄膜等材料。第一磁光材料層3和第二磁光材料層4分別設(shè)置有方向相反的偏置磁場，且方向可控，即偏置磁場⊙H0(外)和偏置磁場⊕H0(里)，偏置磁場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波導(dǎo)的導(dǎo)通方向，或者通過旋轉(zhuǎn)永久磁鐵來改變。當(dāng)磁光材料3外加垂直于紙面向外的靜磁場H0，而磁光材料4外加垂直于紙面向里的靜磁場H0時(shí)，單向拐彎波導(dǎo)的端口1為光輸入端口，端口2為光輸出端口。當(dāng)磁光材料3外加垂直于紙面向里的靜磁場H0，而磁光材料4外加垂直于紙面向外的靜磁場H0時(shí)，單向拐彎波導(dǎo)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)明低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)，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)行光的單向彎曲傳輸，利用電流方向可控的電磁鐵來控制波導(dǎo)的導(dǎo)通方向，拐彎角度能做到任意值。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)可控單向拐彎波導(dǎo)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?，則H0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)?？梢?，若采用磁光材料-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)成有效的可控單向拐彎波導(dǎo)。并且由于磁表面波(SMP)的特性，拐彎波導(dǎo)在理論上將不會有彎曲結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的損耗。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)層厚度w＝5mm，圓弧半徑r＝30mm，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為6GHz，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4，拐彎角度為90°。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內(nèi)時(shí)，當(dāng)光從端口1輸入，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?，最后從端?輸出；當(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。同時(shí)可以看到，光波能很好地被局限在拐彎波導(dǎo)中，損耗值非常低。拐彎波導(dǎo)的導(dǎo)通方向由外加磁場的方向所決定，當(dāng)同時(shí)改變兩層磁光材料所加的磁場方向時(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5為空氣(n0＝1)，偏置磁場大小為900Oe，介質(zhì)層5的厚度w＝5mm，圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r＝30mm，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為6GHz，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10-4，拐彎角度為90度。第一磁光材料層3處的磁場方向垂直紙面向里，而第二磁光材料層4處的磁場方向垂直紙面向外，拐彎波導(dǎo)的導(dǎo)通方向是相反的。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；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。本發(fā)明器件的低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)具有磁光材料-介質(zhì)-磁光材料的三層結(jié)構(gòu)特征，其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)，例如圓環(huán)的內(nèi)圓弧半徑r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)合附圖給出四個(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定拐彎波導(dǎo)的導(dǎo)通方向，介質(zhì)層為空氣(n0＝1)，介質(zhì)層厚度w＝5mm，圓弧半徑r＝30mm，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(b)，方向可控拐彎波導(dǎo)由磁光空隙波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為45度。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，拐彎波導(dǎo)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，拐彎波導(dǎo)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，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.12GHz～7.16GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為23.6552dB，正向傳輸插入損耗為0.0194dB。實(shí)施例2參照圖1(d)和(i)，單向拐彎波導(dǎo)由磁光空隙波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為90度。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，拐彎波導(dǎo)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，拐彎波導(dǎo)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，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.10GHz～7.22GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為25.8838dB，正向傳輸插入損耗為0.0112dB。實(shí)施例3參照圖1(f)，單向拐彎波導(dǎo)由磁光空隙波導(dǎo)構(gòu)成單向拐彎波導(dǎo)，拐彎角度為135度。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，拐彎波導(dǎo)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，拐彎波導(dǎo)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，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.10GHz～7.18GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為23.6067dB，正向傳輸插入損耗為0.0120dB。實(shí)施例4參照圖1(h)，單向拐彎波導(dǎo)由磁光空隙波導(dǎo)構(gòu)成，拐彎角度為180度。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，拐彎波導(dǎo)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，拐彎波導(dǎo)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7，方向可控拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍是5.00GHz～7.30GHz。在工作頻率范圍內(nèi)，考慮材料損耗，方向可控拐彎波導(dǎo)最高達(dá)到正反向傳輸隔離度為27.7469dB，正向傳輸插入損耗為0.0073dB。由圖4、圖5、圖6和圖7不同拐彎角度的磁光空隙磁表面快模單向拐彎波導(dǎo)的傳輸效率曲線圖可以得到磁光空隙拐彎波導(dǎo)所傳輸磁表面快波的光頻率范圍，即單向拐彎波導(dǎo)的工作頻率范圍。從結(jié)果可知，本發(fā)明低損磁光空隙磁表面快模任意方向可控單向拐彎波導(dǎo)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