[实用新型]一种基于多原子光子晶体的光隔离装置

说明书

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，涉及一种基于多原子光子晶体的光隔离装置。

背景技术

光子晶体是近年来受到科学界持续关注的一种人工电磁材料。类似于固态电子晶体，光子晶体中光子的色散关系也呈现出带状结构，带与带之间形成光子带隙，我们称之为光子能带结构，简称能带结构。如果在光子晶体中引入缺陷,则会在光子带隙中引入缺陷态，由此而产生出许多器件方面的应用。单原子光子晶体是指在初基元胞内只有一个散射子，多原子光子晶体是指在初基元胞内存在多个散射子并且在位置、形状和折射率等参数上存在差异。相较于单原子光子晶体，由于具有更高的拓扑自由度，多原子光子晶体是一个具有更丰富内涵的物理体系。目前，大量的研究工作主要集中在如何利用单原子光子晶体制作性能优良的光电子器件。对多原子光子晶体光学性质及相关器件的研究报导很少，尤其是对其光隔离器件的研究更为少见。

光隔离器是一种光单向传输器件，它的工作原理是基于光传播过程的非互易性，也就是说当电磁波沿着某个特定方向传播时具有极低的插入损耗，而沿着特定方向的反方向传输时却有巨大的衰减或者被反射，具有不可逆性，因此，这是一种只允许光波单向传输的无源器件。在光子集成回路中光隔离器的作用与电路中的二极管类似，因此有“光路中的二级管”之称。利用光隔离器可以消除反射光对光源等器件的不良影响，提高光路系统传输的稳定性，是全光通信中的关键器件。目前国内外都在发展高速、小型化的光信息传输系统，所以光隔离器的用途将会更加广阔，与此同时对光隔离器的性能要求也将更为严格。作为光子集成回路中的“二极管”，光隔离器已成为高质量光路系统中必不可少的器件。光隔离的实现有多种方法，但目前商用的光隔离器主要以磁光隔离器为主。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，该光隔离装置具有更高的拓扑自由度且性能稳定、易于集成。

为此，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于多原子光子晶体的光隔离装置，包括一光子晶体平板，所述光子晶体平板内设有线形的第一分支波导和第二分支波导，所述第一分支波导的外端连接有输入波导，所述第二分支波导的外端连接有输出波导，所述第一分支波导的内端与第二分支波导的内端相连接，且所述第一分支波导的传输类型为偶模传输，第二分支波导的传输类型为奇模传输。

进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导相互平行或共线。

进一步地，所述第一分支波导和第二分支波导相互垂直。

进一步地，所述光子晶体平板包括一个由半导体材料制成的基板，所述基板上刻蚀有由间隔直线排列的大空气孔和小空气孔形成的空气孔阵列，其中相邻的一个大空气孔和一个小空气孔构成一个初基元胞，所述初基元胞内填充有多个散射子。

进一步地，所述初基元胞内填充有两个散射子。

进一步地，所述光子晶体平板的晶格结构为双原子正方晶格。

进一步地，所述大空气孔的半径为0.32a，小空气孔的半径为0.20a，其中a为光子晶体晶格常数。

进一步地，所述输入波导和输出波导是由锑化铟半导体材料制作成的介质波导，宽度为2a，其中a为光子晶体晶格常数。

图4是利用平面波展开法计算出的两种不同传输类型的分支波导的色散关系，其中实线代表传输类型为奇模传输的第二分支波导，虚线代表传输类型为偶模传输的第一分支波导，从图中可以看到，在空气线以下，这两种波导有一个共同的交点，该交点对应的归一化频率为0.3099，在本实用新型中我们把这个交点选取为工作点。

本实用新型的有益效果在于：

（1）采用多原子光子晶体，由于初基元胞中包含多个散射子，所以，与单原子光子晶体相比较，多原子光子晶体具有更高的拓扑自由度。利用多原子光子晶体的特性，可以形成不同的线缺陷波导，设计出符合要求的光隔离装置，而且还可以通过调整不同散射子的位置、形状和折射率来优化光隔离装置的性能，也可以改变晶格结构来优化隔离装置的性能。

（2）本实用新型中光隔离装置的核心部件由传输类型不同的分支波导直接连接在一起，不需要特殊设计模式转换模块。隔离装置的工作频率主要是由两种分支波导色散曲线的交点决定，当隔离装置的大小尺寸发生变化时，中心工作频率基本不变。而且该光隔离装置使用的全是普通介质材料，没有用到磁性材料，因此不需要专门设计制造工艺，工作时也不需要专门设置外加磁场。

（3）本实用新型提出的光隔离装置结构简单、性能稳定、易于集成、操作方法简单，可以应用在各种需要光隔离的场景中。

附图说明