基于光子晶體十字波導(dǎo)的雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，尤其涉及一種光子晶體十字波導(dǎo)雙路 反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的占空比可調(diào)及互為邏輯非的雙路光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用的是幾何光學(xué) 原理，因此體積都比較大，無(wú)法用于光路集成中。磁光材料與新型光子晶體的結(jié)合導(dǎo)致提出 了許多光子器件，其最主要的性質(zhì)是電磁波在偏置磁場(chǎng)下表現(xiàn)出的旋磁非互易性，使磁性 光子晶體不僅具有旋光特性，還有著更大的傳輸帶寬和更高的傳播效率。以光子晶體為基 礎(chǔ)可以制作微小的器件，包括雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生 器的光子晶體波導(dǎo)光路一般在光子晶體中引入線缺陷來(lái)構(gòu)建。光學(xué)時(shí)鐘是光通信、光學(xué)邏 輯器件、光學(xué)信息處理系統(tǒng)、光學(xué)計(jì)算的重要部件，具有廣泛應(yīng)用價(jià)值，緊湊型光學(xué)時(shí)鐘發(fā) 生器是集成廣利芯片的重要部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 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)體積小，高效短程便于集 成的光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。
[0004] 發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0005] 本發(fā)明基于光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，包括一個(gè)具有TE禁 帶的光子晶體十字波導(dǎo);所述發(fā)生器還包括一個(gè)輸入端1，三個(gè)輸出端2、3、4,背景硅介質(zhì)柱 5、等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6和缺陷介質(zhì)柱7,所述發(fā)生器還包括一個(gè)提供偏置磁場(chǎng)的電 磁鐵(8)和一個(gè)矩形波電流源（10);所述光子晶體十字波導(dǎo)的左端為輸入端1，所述輸出端 2、3、4分別位于光子晶體十字波導(dǎo)的下端、右端、上端;所述缺陷介質(zhì)柱7位于十字波導(dǎo)中心 交叉處;所述4個(gè)等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6分別位于十字波導(dǎo)交叉的四個(gè)拐角處;所述 光子晶體波導(dǎo)由端口 1輸入TE光，再?gòu)亩丝?2和端口 4輸出兩路相位相反的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)。
[0006] 所述發(fā)生器進(jìn)一步包括導(dǎo)線9;所述電磁鐵8的一端與個(gè)矩形波電流源10的一端相 連接;所述電磁鐵8的另一端通過(guò)導(dǎo)線9與矩形波電流源10的另一端相連接，該電磁鐵8提供 的偏置磁場(chǎng)的方向隨時(shí)間做周期變化。
[0007] 所述光子晶體為二維正方晶格光子晶體。
[0008] 所述光子晶體由高折射率材料和低折射率材料組成;所述高折射率材料為硅或折 射率大于2的介質(zhì);所述低折射率介質(zhì)為空氣或折射率小于1.4的介質(zhì)。
[0009] 所述T型波導(dǎo)為光子晶體中移除中間一橫排和中間一豎排介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)。
[0010] 所述T型波導(dǎo)交叉拐角處的背景介質(zhì)柱5刪除一個(gè)角以形成等腰直角三角形缺陷 介質(zhì)柱。
[0011] 所述背景硅介質(zhì)柱5的形狀為正方形。
[0012]所述正方形娃介質(zhì)柱以介質(zhì)柱軸線z軸方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)41度。
[0013] 所述等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6為三角柱型。
[0014] 所述缺陷介質(zhì)柱7為鐵氧體方柱，其形狀為正方形，該鐵氧體方柱的磁導(dǎo)率為各向 異性，且受偏置磁場(chǎng)的控制，偏置磁場(chǎng)方向沿著鐵氧體方柱的軸線方向。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
[0016] (1)結(jié)構(gòu)體積小，時(shí)間響應(yīng)快，光傳輸效率高，適合大規(guī)模光路集成；
[0017] (2)便于集成，可以短程高效地實(shí)現(xiàn)TE光雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，，具有極 大的實(shí)用價(jià)值；
[0018] (3)應(yīng)用光子晶體可等比例縮放的特性，通過(guò)等比例改變晶格常數(shù)的方法，可以實(shí) 現(xiàn)不同波長(zhǎng)雙路反相時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生。
[0019] (4)高對(duì)比度、高隔離度，同時(shí)還具有較寬的工作波長(zhǎng)范圍，可以允許有一定頻譜 寬度的脈沖，或高斯光，或不同波長(zhǎng)的光工作，或多個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)工作，具有實(shí)用意義。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的一種結(jié)構(gòu)示意 圖。
[0021] 圖中：輸入端1輸出端2輸出端3輸出端4背景娃介質(zhì)柱5等腰直角三角形缺陷 介質(zhì)柱6缺陷介質(zhì)柱7
[0022] 圖2是本發(fā)明的光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的另一種結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0023]圖中：電磁鐵8導(dǎo)線9矩形波電流源10
[0024] 圖3是本發(fā)明的光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)參數(shù)分布 圖。
[0025] 圖4是本發(fā)明光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)波 形圖。
[0026] 圖5是實(shí)施例1中光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的禁帶頻率的 邏輯對(duì)比度圖。
[0027]圖6是實(shí)施例2中光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器禁帶頻率的邏 輯對(duì)比度圖。
[0028] 圖7是實(shí)施例3中光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器禁帶頻率的邏 輯對(duì)比度圖。
[0029] 圖8是本發(fā)明光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的光場(chǎng)分布示意 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 如圖1所示，本發(fā)明光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意 圖（刪除偏置電路和偏置線圈），包括一個(gè)具有TE禁帶的光子晶體十字波導(dǎo)，該發(fā)生器還包 括一個(gè)輸入端1，三個(gè)輸出端2、3、4,背景娃介質(zhì)柱5,等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6和方形缺 陷介質(zhì)柱7;本器件初始信號(hào)光從左方端口 1入射，端口 2輸出光波，端口 3和端口 4隔離光波； 光子晶體十字波導(dǎo)的左端為輸入端1，端口 2、3、4分別位于光子晶體十字波導(dǎo)的下端、右端、 上端，光子晶體波導(dǎo)由端口 1輸入TE光，再?gòu)亩丝?2和端口 4輸出兩路相位相反的光學(xué)時(shí)鐘信 號(hào)；背景硅介質(zhì)柱5形狀為正方形，光軸方向垂直紙面向外，等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6 為，T型波導(dǎo)交叉拐角處的背景介質(zhì)柱5刪除一個(gè)角以形成等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱，等 腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6為三角柱型，4個(gè)等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱6分別位于十字波 導(dǎo)交叉的四個(gè)拐角處，光軸方向與背景介質(zhì)柱相同，缺陷介質(zhì)柱7位于十字波導(dǎo)中心交叉 處，該缺陷介質(zhì)柱7為鐵氧體方柱，其形狀為正方形，光軸方向垂直紙面向外，該鐵氧體方柱 的磁導(dǎo)率為各向異性，且受偏置磁場(chǎng)的控制，偏置磁場(chǎng)方向沿著鐵氧體方柱的軸線方向；該 鐵氧體方柱的磁導(dǎo)率為各向異性，且受偏置磁場(chǎng)的控制，偏置磁場(chǎng)方向沿著鐵氧體方柱的 軸線方向。如圖2所示，本發(fā)明的明光子晶體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器的結(jié)構(gòu) 示意圖（含有偏置電路和偏置線圈），該發(fā)生器包括一個(gè)提供偏置磁場(chǎng)的電磁鐵8(電磁鐵線 圈）和一個(gè)矩形波電流源（10);發(fā)生器還包括導(dǎo)線9,電磁鐵8的一端與個(gè)矩形波電流源10的 一端相連接，電磁鐵8的另一端通過(guò)導(dǎo)線9與矩形波電流源10的另一端相連接，該電磁鐵8提 供偏置磁場(chǎng)的方向隨時(shí)間做周期變化。本發(fā)明的發(fā)生器如圖1與圖2所示采用笛卡爾直角坐 標(biāo)系：χ軸正方向?yàn)樗较蛴?y軸正方向?yàn)樵诩埫鎯?nèi)豎直向上；z軸正方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦?外 。
[0031]如圖3所示，本器件的相關(guān)參數(shù)為：
[0032] di = a(晶格常數(shù)）
[0033] d2 = 0.3a(正方形硅柱邊長(zhǎng)）
[0034] d3 = 0.2817a(正方形缺陷介質(zhì)柱邊長(zhǎng)）
[0035] d4=0.3a(等腰直角三角形缺陷柱腰長(zhǎng)）
[0036] d5=l .2997a(等腰直角三角形缺陷柱斜邊到方形缺陷柱中心的距離）
[0037] d6=l.577a(波導(dǎo)寬長(zhǎng)）
[0038]本發(fā)明光子晶體為正方晶格，晶格常數(shù)為a，介質(zhì)柱邊長(zhǎng)為0.3a，在光子晶體正方 形硅介質(zhì)柱參考介質(zhì)柱軸線方向（z軸)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)41度時(shí)，采用平面波展開法得到光子晶 體中TE禁帶結(jié)構(gòu)，其光子TE禁帶為0.3150至0.4548( ω a/23ic)，其中間的任何頻率的光波將 被限制在波導(dǎo)中，正方晶格介質(zhì)柱參考介質(zhì)柱軸線方向（z軸)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)41度后，獲得了更 大更寬的禁帶范圍。
[0039] 本發(fā)明所使用硅介質(zhì)波導(dǎo)需要?jiǎng)h除一行和一列介質(zhì)柱而形成導(dǎo)波波導(dǎo)。波導(dǎo)平面 垂直于光子晶體中的介質(zhì)柱的軸線。通過(guò)在上述十字波導(dǎo)十字交叉處引入一個(gè)鐵氧體方柱 (正方形缺陷柱7)，其邊長(zhǎng)為0.28a，4個(gè)等腰直角三角形缺陷介質(zhì)柱5斜邊面分別到鐵氧體 柱(正方形缺陷介質(zhì)柱6)軸線的距離為1.2997a。鐵氧體方柱的光軸與背景介質(zhì)柱的光軸方 向一致。
[0040] 本發(fā)明的原理介紹主要針對(duì)磁光介質(zhì)加以解釋。鐵氧體是一種磁各向異性的材 料，鐵氧體的磁各向異性是由外加直流偏置磁場(chǎng)所誘導(dǎo)的。該磁場(chǎng)使鐵氧體中的磁偶極子 循同一方向排列，從而產(chǎn)生合成的磁偶極距，并使磁偶極子在由偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度所控制的頻 率下做進(jìn)動(dòng)。通過(guò)調(diào)整偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度可控制與外加微波信號(hào)的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)光子晶 體十字波導(dǎo)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。在偏置磁場(chǎng)的作用下，鐵氧體的磁導(dǎo)率張量表 現(xiàn)為非對(duì)稱性，其中鐵氧體張量磁導(dǎo)率[μ]為：
[0042]磁導(dǎo)率張量的矩陣元中的有關(guān)參量由以下式子給出：
[0048] 其中，μ〇為真空中的磁導(dǎo)率，γ為旋磁比，Ho為外加磁場(chǎng)，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，為工 作頻率，P = k/y為歸一化磁化頻率，也叫分離因子，參數(shù)μ和k決定不同鐵氧體材料，具有這 種形式的磁導(dǎo)率張量的材料稱為旋磁性的，假定偏置的方向是相反的，則Ho和Ms將改變符 號(hào)，所以旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)相反。
[0049] 偏置磁場(chǎng)由偏置電磁鐵產(chǎn)生，偏置電磁鐵中加載有偏置電流，該偏置電流為調(diào)制 信號(hào)，調(diào)制信號(hào)為時(shí)變周期信號(hào)。
[0050] 通過(guò)調(diào)節(jié)偏置磁場(chǎng)Η的大小來(lái)確定符合H=Ho時(shí)，光從端口 4輸出，H=-Ho時(shí)，光從端 口 2輸出。從而實(shí)現(xiàn)雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器。
[0051] 雙路反相光學(xué)時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，一般通過(guò)以下方法實(shí)現(xiàn):在周期變化偏置磁場(chǎng)下， 利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，使光旋轉(zhuǎn)所需要的角度，由兩個(gè)端口交替