本發(fā)明涉及一種磁光材料、表面波和光二極管，更具體地說，本發(fā)明涉及一種無泄漏磁光材料空隙波導(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，光傳輸效率高，體積小，便于集成的無泄漏磁光薄膜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)明無泄漏磁光材料薄膜波導(dǎo)磁表面快波方向可控光二極管包括一個光輸入端口、一個光輸出端口、一個磁光薄膜、背景介質(zhì)、兩個吸波層和一個可控偏置磁場；所述磁光薄膜設(shè)置于背景介質(zhì)中；所述磁光薄膜采用磁光材料；所述光二極管和隔離器由磁光材料和背景介質(zhì)構(gòu)成；所述光二極管和隔離器的左端為光輸入端口或輸出端口，其右端為光輸出端口或輸入端口；所述磁光材料與背景介質(zhì)的表面處為磁表面快波；所述磁光薄膜處設(shè)置有可控偏置磁場。

所述磁表面快波光二極管由磁光薄膜設(shè)置于背景介質(zhì)中構(gòu)成。

所述光二極管由磁光薄膜與背景介質(zhì)的分界面構(gòu)成光波導(dǎo)可單向傳輸光信號。

所述磁光薄膜與背景介質(zhì)的分界面為直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；所述直波導(dǎo)為TE工作模式波導(dǎo)。

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。

所述背景介質(zhì)材料為工作波透明的材料。

所述背景介質(zhì)為普通介質(zhì)材料、空氣或玻璃。

所述吸波層為相同或不同的吸波材料；所述吸波材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環(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。

所述兩個吸波層均分別與所述直波導(dǎo)表面的距離為1/4至1/2波長；所述兩個吸波層的厚度均分別不小于1/4波長。

所述偏置磁場由電流方向可控電磁鐵或永久磁鐵產(chǎn)生，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為無泄漏磁光薄膜磁表面快波方向可控光二極管的結(jié)構(gòu)圖。

圖中1(a)：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(zhì)4第一吸波層5第二吸波層6磁光材料薄膜厚度w吸波層與波導(dǎo)之間的距離w₁

圖中1(b)：光輸出端1光輸入端2磁光薄膜3(磁光材料薄膜)背景介質(zhì)4第一吸波層5第二吸波層6偏置磁場⊙H₀(外)磁光材料薄膜厚度w吸波層與波導(dǎo)之間的距離w₁

圖2為無泄漏磁光薄膜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為無泄漏磁光薄膜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為無泄漏磁光薄膜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為無泄漏磁光薄膜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為無泄漏磁光薄膜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

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)明無泄漏磁光薄膜磁表面快波方向可控光二極管包括一個光輸入端口1、一個光輸出端口2、一個磁光薄膜3、背景介質(zhì)4、第一吸波層5、第二吸波層6和一個可控偏置磁場H₀，磁表面快波光二極管由磁光材料薄膜3設(shè)置于背景介質(zhì)4中構(gòu)成，磁光薄膜3采用磁光材料，即磁光材料薄膜，磁光材料薄膜3與背景介質(zhì)4交界面為光能量主要集中的區(qū)域，由磁光材料薄膜3與背景介質(zhì)4的分界面構(gòu)成光波導(dǎo)可單向傳輸光信號，即為光二極管，光二極管和隔離器磁光材料和背景介質(zhì)4構(gòu)成。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；磁光材料薄膜3與背景介質(zhì)4的分界面為直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，本發(fā)明波導(dǎo)為TE工作模式波導(dǎo)；如圖1(a)所示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；如圖1(b)所示光二極管的右端為光輸入端口2，其左端為光輸出端口1；磁光材料薄膜3與背景介質(zhì)4的表面處為磁表面快波；背景介質(zhì)材料可以采用工作波透明的材料，也可以采用普通介質(zhì)材料、空氣或玻璃。磁光材料薄膜3處設(shè)置有偏置磁場H₀，即或偏置磁場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，方向?yàn)閷Q定二極管的導(dǎo)通方向，通過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)永久磁鐵來改變。通過電磁鐵電流控制磁光材料外加磁場方向垂直紙面向里，光二極管和隔離器的左端為光輸入端1，其右端為光輸出端2，二極管將從端口1到端口2導(dǎo)通；當(dāng)外加控制磁場方向垂直紙面向外，二極管的右端為光輸入端2，其左端為光輸出端1，光二極管將從端口2到端口1導(dǎo)通。第一吸波層5和第二吸波層6為相同或不同的吸波材料，吸波材料為聚氨酯、石墨、石墨烯、炭黑、碳纖維環(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；第一吸波層5和第二吸波層6均分別與波導(dǎo)表面之間的距離w₁為1/4至1/2波長；第一吸波層5和第二吸波層6的厚度均分別不小于1/4波長。

磁光材料與介質(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，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)為無泄漏磁光材料薄膜波導(dǎo)磁表面快波光二極管，該器件是基于磁光材料所具有的非互易性，結(jié)合磁光材料-介質(zhì)界面能夠產(chǎn)生表面波的特性所研究出的具有優(yōu)異性能的光二極管和隔離器。該器件通過磁光材料提供偏置靜磁場，磁光材料薄膜設(shè)置于背景介質(zhì)中和吸波層的組合，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，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。同時，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。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：

磁導(dǎo)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(dǎo)率，γ為旋磁比，H₀為外加磁場，M_s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M_s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：

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：

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k_z的超越方程：

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k_z的值。也可從方程看出，由于方程包含μ_κk_z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，光二極管的導(dǎo)通方向也變?yōu)橄喾捶较颉?/p>

可見，在磁光材料薄膜3處加入偏置磁場，并且由電流控制電磁鐵磁場方向，并使用普通介質(zhì)材料或、空氣或玻璃作為背景材料，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，背景介質(zhì)4為空氣(n₀＝1)，磁光薄膜3的偏置磁場大小為900Oe，磁光薄膜3的尺寸長l＝50mm，厚w＝22.5mm，第一吸波層5和第二吸波層6均分別與波導(dǎo)之間的距離為w₁＝5mm，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。磁光材料薄膜3所加的磁場垂直紙面向里，當(dāng)光波從端口1輸入時，在磁光材料與介質(zhì)界面產(chǎn)生單向正向傳輸?shù)拇疟砻娌ǎ詈髲墓獠ǘ丝?輸出，即方向可控二極管向右單向?qū)ǎ划?dāng)光波從端口2輸入時，由于磁表面波的非互易性導(dǎo)致光波無法在器件內(nèi)部反向傳輸，從而無法從輸出端口1輸出。輸出端口1沒有任何光波輸出，光能量已全部在輸入端口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，如圖3所示，采用釔鐵石榴石(YIG)作為磁各向異性材料，背景介質(zhì)4為空氣(n₀＝1)，磁光薄膜3的偏置磁場大小為900Oe，偏置磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蛲猓殴獗∧?的尺寸長l＝50mm，其厚度w＝22.5mm，第一吸波層5和第二吸波層6均分別與波導(dǎo)之間的距離為w₁＝5mm，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10^-4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。磁場方向垂直紙面向外，二極管的導(dǎo)通方向是相反的。當(dāng)光波從端口1輸入時，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，輸出端口2沒有任何光波輸出，光能量已全部在輸出端口1處被阻擋；當(dāng)光波從端口2輸入時，光波能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生磁表面波，繼而從輸出端口1輸出，即方向可控二極管向右單向?qū)ā?/p>

本發(fā)明無泄漏磁光薄膜磁表面快波光二極管采用磁光材料薄膜設(shè)置于背景介質(zhì)材料中，磁光材料薄膜3的尺寸長度l和厚度w可以靈活地根據(jù)實(shí)際工作波長和實(shí)際需求進(jìn)行選擇。改變尺寸對器件性能無大的影響。下面結(jié)合附圖給出三個實(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，磁場方向?yàn)榇怪奔埫嫦蚶铮殴獠牧媳∧ず穸葹閣，第一吸波層5和第二吸波層6均分別與波導(dǎo)之間的距離為w₁＝5mm，YIG材料損耗系數(shù)α＝3×10^-4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)，磁表面快波方向可控光二極管由磁光薄膜3設(shè)置于背景介質(zhì)4中構(gòu)成，介質(zhì)4為空氣(n₀＝1)，磁光薄膜厚度為w＝5mm。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料外加磁場方向垂直紙面向里，光二極管將從輸入端口1到輸出端口2導(dǎo)通；相反，控制磁場方向垂直紙面向外，光二極管將從輸入端口2到輸出端口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5.00GHz～7.41GHz。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29.1dB，正向傳輸插入損耗為0.0079dB。

實(shí)施例2

參照圖1，磁表面快波方向可控光二極管由磁光薄膜3設(shè)置于背景介質(zhì)3中構(gòu)成，介質(zhì)4為空氣(n₀＝1)，磁光薄膜厚度為w＝7mm。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料外加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～7.41GHz。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能達(dá)到正反向傳輸隔離度為31.0dB，正向傳輸插入損耗為0.0082dB。

實(shí)施例3

參照圖1，磁表面快波方向可控光二極管由磁光薄膜3設(shè)置于背景介質(zhì)4中構(gòu)成，介質(zhì)4為玻璃(n₀＝1.5)，磁光薄膜厚度為w＝5mm。在工作頻段內(nèi)，通過電磁鐵電流控制磁光材料外加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5.00GHz～7.41GHz。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22.1dB，正向傳輸插入損耗為0.0399dB。

由圖4、圖5和圖6不同參數(shù)的磁光薄膜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薄膜波導(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)明基于磁光材料薄膜波導(dǎo)的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。