本發明涉及一種磁光材料、表面波和光二極管，更具體地說，本發明涉及一種無泄漏低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導。

背景技術：

拐彎波導是一種作為變換光路用的光器件，其在光波導器件中占據重要的地位。由于光波導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，光波導中的彎曲是必需的。波導彎曲會引起波導材料在光的傳輸方向上光學特性分布的變化，使得拐彎波導具備較高的損耗。拐彎波導領域已有廣泛的研究，其中弧形轉向型拐彎波導是目前此方面研究的主要內容。但即使是這種類型的波導，其所存在的彎曲損耗和過渡損耗仍然嚴重制約了傳輸效率。此外結構缺陷等也會給波導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方向傳播的光學器件，應用于阻止不必要的光反饋。傳統的光二極管和隔離器的主元件是法拉第旋光器，應用了法拉第效應(磁光效應)作為其工作原理。傳統的法拉第隔離器由起偏器、法拉第旋光器和檢偏器組成，這種器件結構復雜，通常被應用在自由空間的光系統中。對于集成光路，光纖或波導等集成光器件都是非偏振維持系統，會導致偏振角的損耗，因而不適用法拉第隔離器。

技術實現要素：

本發明的目的是克服現有技術中的不足之處，提供一種結構簡單有效，低損耗、光傳輸效率高，體積小，便于集成的無泄漏低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導。

本發明的目的通過下述技術方案予以實現。

本發明無泄漏低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導包括包括一個光輸入端1、一個光輸出端2、一個磁光薄膜3、背景介質4、兩個吸波層5、6和一個偏置磁場；所述單向拐彎波導的左端為光輸入端1、其右端為光輸出端2；所述磁光薄膜3設置于背景介質4中；所述磁光薄膜3采用磁光材料；所述磁光薄膜3和背景介質4為任意角度彎曲形；所述磁光薄膜3處設置有偏置磁場；所述磁光薄膜3彎曲部分為圓環形狀；所述磁光材料與所述背景介質4的表面處為磁表面快波。

所述磁光材料與所述背景介質4的分界面構成光波導。

所述磁光薄膜3和所述背景介質4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。

所述磁光材料薄膜和背景介質4結構為平直波導結構。

所述磁光材料為磁光玻璃或者各種稀土元素摻雜的石榴石和稀土-過渡金屬合金薄膜等材料。

所述背景介質4為普通介質材料或者空氣。

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度拐彎形狀或180度拐彎形狀。

所述吸波層5、6為相同或者不同的吸波材料；所述吸波材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環氧樹脂混合體、石墨熱塑性材料混合體、硼纖維環氧樹脂混合體、石墨纖維環氧樹脂混合體、環氧聚硫、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。

所述吸波層5、6均分別與所述平直波導表面的距離為1/4至1/2波長；所述吸波層5、6的厚度均分別不小于1/4波長。

所述偏置磁場由電磁鐵或永久磁鐵產生；所述單向拐彎波導由磁光材料薄膜波導構成；所述單向拐彎波導的工作模式為TE模式。

本發明適合應用于大規模光路集成，具有廣泛的應用前景。它與現有技術相比，具有如下積極效果。

1.結構簡單、便于實現。

2.體積小，便于集成。

3.磁表面波具備對結構缺陷的免疫特性，具有超低損耗、超高傳輸效率，被廣泛應用到各種光波導的設計中。

附圖說明

圖1為無泄漏低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導的結構圖。

圖中，光輸入端1 光輸出端2 磁光薄膜3(磁光材料薄膜) 背景介質4 第一吸波層5 第二吸波層6 偏置磁場⊙H₀(外)磁光薄膜厚度w吸波層與波導之間的距離w₁圓環的內圓弧半徑為r圓環的外圓弧半徑r+w

圖2為磁光薄膜磁表面快模單向拐彎波導的工作原理圖。

圖3為磁光薄膜單向拐彎波導的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第一種實施例曲線圖。

圖4為磁光薄膜單向拐彎波導的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第二種實施例曲線圖。

圖5為磁光薄膜單向拐彎波導的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第三種實施例曲線圖。

圖6為磁光薄膜單向拐彎波導的正反向傳輸效率隨光波頻率變化的第四實施例曲線圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明無泄漏超低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導包括一個光輸入端1、一個光輸出端2、一個磁光薄膜3、背景介質4、第一吸波層5、第二吸波層6和一個偏置磁場H₀，單向拐彎波導的工作模式為TE模式，單向拐彎波導由磁光材料薄膜波導構成，磁光薄膜3與背景介質4交界面為光能量主要集中的區域，磁光薄膜3設置于背景介質4中，磁光薄膜3采用磁光材料，即磁光材料薄膜；磁光材料為磁光玻璃或者各種稀土元素摻雜的石榴石和稀土-過渡金屬合金薄膜等材料；磁光薄膜3彎曲部分為圓環形狀，圓環的內圓弧半徑為r，其外圓弧半徑則為r+w。拐彎角度可以為0度至180度之間的角度，單向拐彎波導的彎曲角度也可以采用：0度至180度之間的角度；例如：30度、45度、60度、90度、120度、135度、150度和180度。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、和圖1(h)單向拐彎角度為180度。彎曲部分的長短取決于拐彎角度。磁光材料薄膜3和背景介質4為任意角度彎曲形，任意角度彎曲的形狀為圓弧形(弧形轉向型拐彎波導)，例如，當拐彎角度為45度時，為八分之一個圓環；當拐彎角度為90度時，為四分之一個圓環；當拐彎角度為180°時，為半個圓環等等，以此類推。由于本發明器件結構滿足對稱守恒，也就是其對應的鏡像結構也同樣可以有效工作，因而圖1(d)和(i)兩者結構鏡像對稱，具備同樣的工作特性。磁光材料與背景介質4的表面處為磁表面快波，磁光材料薄膜3和背景介質4結構為平直波導結構；磁光材料與背景介質4的分界面構成光波導，光波導單向傳輸光信號，用作光二極管或隔離器；磁光材料薄膜3和背景介質4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；背景介質4采用普通介質材料或者空氣；第一吸波層5、第二吸波層6為相同或者不同的吸波材料，吸波材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環氧樹脂混合體、石墨熱塑性材料混合體、硼纖維環氧樹脂混合體、石墨纖維環氧樹脂混合體、環氧聚硫、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；第一吸波層5、第二吸波層6均分別與平直波導表面的距離為1/4至1/2波長，第一吸波層5、第二吸波層6的厚度均分別不小于1/4波長。磁光材料薄膜3處設置有偏置磁場⊙H₀(外)，偏置磁場由電磁鐵或永久磁鐵產生。偏置磁場方向為垂直紙面向外或向里時，單向拐彎波導的端口1為光輸入端，其端口2為光輸出端。

磁光材料-介質界面所產生的磁表面波是一種類似于金屬表面等離子激元(SPP)的現象。磁光材料在偏置靜磁場的作用下，磁導率為張量形式，同時，在一定的光波段范圍內，其有效折射率為負值。因而，磁光材料的表面能夠產生一種導波，且具有單向傳播的性能，稱為磁表面波(表面磁極化子波，SMP)。

本發明為一種無泄漏低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導。該器件是基于磁光材料所具有的非互易性，結合磁光材料-介質界面能夠產生表面波的特性所研究出的具有優異性能的單向拐彎波導。將磁光材料薄膜置于介質(空氣)背景中和兩個吸波層組合，利用磁光材料-介質界面產生的磁表面快波來進行光的單向彎曲傳輸，吸波層吸收無用波，消除光路干擾。

本發明技術方案是基于磁光材料所具有的光非互易性和磁光材料-介質界面所具有獨特的可傳導表面波特性，實現單向拐彎波導的設計。該技術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，由外加靜磁場導致磁光材料內部的磁偶極子按同一方向排列，進而產生磁偶極矩。磁偶極矩將和光信號發生強烈的相互作用，進而產生光的非互易性傳輸。在方向為垂直紙面向外的偏置磁場H₀的作用下，磁光材料的磁導率張量為：

磁導率張量的矩陣元由以下方程組給出：

其中，μ₀為真空中的磁導率，γ為旋磁比，H₀為外加磁場，M_s為飽和磁化強度，ω為工作頻率，α為損耗系數。若改變偏置磁場的方向為垂直紙面向里，則H₀和M_s將改變符號。

磁光材料-介質界面所產生的磁表面波則可以根據磁光材料的磁導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當有如下的形式：

其中i＝1代表磁光材料區域，i＝2代表介質區域。代入麥克斯韋方程組：

再根據本構關系式和邊界條件，可得出關于磁表面波的波矢k_z的超越方程：

其中，為磁光材料的有效磁導率。此超越方程可以由數值解法求解，最終得到k_z的值。也可從方程看出，由于方程包含μ_κk_z的項，所以，磁表面波具有非互易性(單向傳播)。

可見，在磁光材料薄膜3處加入偏置靜磁場，并使用普通介質材料或空氣作為背景材料，那么將構成有效的單向波導。并且由于磁表面波(SMP)的特性，拐彎波導在理論上由彎曲結構所產生的損耗非常低。如圖2所示，采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，背景介質4為空氣(n₀＝1)，偏置磁場大小為900Oe，磁光薄膜厚度w＝5mm，第一吸波層5和第二吸波層6均分別與波導之間的距離為w₁＝5mm，圓環的內圓弧半徑r＝30mm，器件的工作頻率f由磁光材料和介質的介電常數ε₁，ε₂和磁導率[μ₁]，μ₂所決定，工作頻率為f＝6GHz，YIG材料損耗系數α＝3×10^-4，拐彎角度為90度。偏置磁場方向為垂直紙面向外，當光從端口1輸入時，在磁光材料-介質界面產生單向正向傳輸的磁表面波，最后從端口2輸出；當光從端口2輸入時，由于磁表面波的非互易性導致光波無法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。同時可以看到，光波能很好地被局限在磁光薄膜拐彎波導中，損耗值非常低。

本發明器件的無泄漏低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導采用磁光材料設置于普通介質材料中，其結構尺寸和參數，例如圓環的內圓弧半徑r和介質層厚度w可靈活地根據工作波長和實際需求進行選擇。改變尺寸對器件性能沒有大的影響。下面結合附圖給出四個實施例，在實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，偏置磁場方向為垂直紙面向外，背景介質4為空氣(n₀＝1)，磁光薄膜厚度w＝5mm，第一吸波層5和第二吸波層6均分別與波導之間的距離為w₁＝5mm，圓環的內圓弧半徑r＝60mm，YIG材料損耗系數α＝3×10^-4，器件的工作頻率f由磁光材料和介質的介電常數ε₁，ε₂和磁導率[μ₁]，μ₂所決定。

實施例1

參照圖1(b)，單向拐彎波導由磁光薄膜波導構成，拐彎角度為45°。在工作頻段內，從端口1輸入的光波將在器件內部產生磁表面波，進而通過器件從端口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，單向拐彎波導的工作頻率范圍是5.11GHz～7.38GHz。在工作頻率范圍內，考慮材料損耗，單向拐彎波導最高達到正反向傳輸隔離度為28.446dB，正向傳輸插入損耗為0.0664dB。

實施例2

參照圖1(d)和(i)，單向拐彎波導由磁光薄膜波導構成，拐彎角度為90°。在工作頻段內，從端口1輸入的光波將在器件內部產生磁表面波，進而通過器件從端口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，單向拐彎波導的工作頻率范圍是5.00GHz～7.40GHz。在工作頻率范圍內，考慮材料損耗，單向拐彎波導最高達到正反向傳輸隔離度為31.993dB，正向傳輸插入損耗為0.0163dB。

實施例3

參照圖1(f)，單向拐彎波導由磁光薄膜波導構成，拐彎角度為135°。在工作頻段內，從端口1輸入的光波將在器件內部產生磁表面波，進而通過器件從端口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，單向拐彎波導的工作頻率范圍是5.06GHz～7.40GHz。在工作頻率范圍內，考慮材料損耗，單向拐彎波導最高達到正反向傳輸隔離度為27.4473dB，正向傳輸插入損耗為0.0490dB。

實施例4

參照圖1(h)，單向拐彎波導由磁光薄膜波導構成，拐彎角度為180°。在工作頻段內，從端口1輸入的光波將在器件內部產生磁表面波，進而通過器件從端口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6，單向拐彎波導的工作頻率范圍是5.00GHz～7.39GHz。在工作頻率范圍內，考慮材料損耗，單向拐彎波導最高達到正反向傳輸隔離度為35.753dB，正向傳輸插入損耗為0.0383dB。

由圖3、圖4、圖5和圖6不同拐彎角度的磁光薄膜磁表面快模單向拐彎波導的傳輸效率曲線圖可以得到磁光薄膜拐彎波導所傳輸磁表面快模的光頻率范圍，即單向拐彎波導的工作頻率范圍。從結果可知，本發明低損型磁光薄膜磁表面快模任意角單向拐彎波導是能夠有效工作的。

以上所述本發明在具體實施方式及應用范圍均有改進之處，不應當理解為對本發明限制。