專利名稱：：光子晶體多端口環(huán)行器的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及光子晶體器件和磁光
技術領域：
，尤其涉及一種寬頻帶的光子晶體六端口環(huán)行器及其擴展環(huán)行器。
背景技術：
：光環(huán)行器是集成光學中具有抗干擾作用的重要光器件。光環(huán)行器可以在多個端口間形成光的單方向環(huán)行傳輸，使得入射信號能夠順利通過而反射信號獲得隔離。這種特性能夠大大降低集成光路中器件之間反射光的相互串擾，非常有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的光環(huán)行器主要是基于磁光材料的塊狀結構，其缺點是體積大且不易與其它器件集成，這些不利因素很大程度上限制了它們在新一代光器件集成中的應用。光子晶體概念的提出及其研究發(fā)展為實現(xiàn)小型化、易集成化的磁光環(huán)行器開拓了新思路和新方法。光子晶體是一種介電常數(shù)在空間呈周期或準周期排列的人工材料，它可使得一定頻段的光波不能在其中傳播，從而形成光子帶隙。在完整光子晶體中引入缺陷即能實現(xiàn)對光子的引導與控制，就如同半導體材料中實現(xiàn)對電子的操縱一樣。光子晶體器件具有許多傳統(tǒng)光學器件無法比擬的優(yōu)越性質，如尺寸小、性能優(yōu)越并且易于集成，因此被譽為是最有潛力實現(xiàn)全光集成芯片的新一代光子器件之一。隨著光子晶體器件集成度的增加，光路中器件之間的相互干擾問題逐漸突出，如果干擾信號不能得到有效消除或抑制，則很大程度上會影響整體光路的工作性能和集成效果，因此能夠優(yōu)化光路性能的抗干擾器件顯得至關重要。以非互易性為特點的磁光環(huán)行器，利用磁光效應實現(xiàn)光在不同端口間不可逆的單方向環(huán)行傳輸，能夠成功引導或隔離光干擾信號，是一種非常有效的光路抗干擾器件。基于光子晶體結構的磁光環(huán)行器，目前已經(jīng)提出基于單個光子晶體磁光腔的三端口、四端口結構，但是四端口以上的光子晶體環(huán)行器及其設計方案至今還未出現(xiàn)。具有多端口(四端口以上)的光子晶體磁光環(huán)行器在復雜的集成系統(tǒng)中對于提高光路抗干擾性和穩(wěn)定性等方面具有不可估量的作用，是光子晶體大規(guī)模集成光路中必不可少的基礎元件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種光子晶體多端口環(huán)行器，該環(huán)行器能夠在較寬的工作頻段范圍內(nèi)，獲得不同端口的高效率傳輸和高度隔離，實現(xiàn)多個端口間的光信號單方向環(huán)行功能，以解決復雜光子晶體集成光路中的光信號串擾問題。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是一種光子晶體多端口環(huán)行器，所述光子晶體主體由介質材料中三角對稱分布的第一空氣柱構成，其包括至少六個磁光腔，所述磁光腔的中心依次連線形成一個正六邊形或者多個級聯(lián)的正六邊形，在一個正六邊形或者多個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建至少六個波導，每個波導由介質材料填充一列第一空氣柱形成，在相鄰的磁光腔之間和相鄰的磁光腔與波導之間均設置兩個直徑小于第一空氣柱直徑的第二空氣柱，在以每一磁光腔為中心周圍設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，其第四空氣柱的直徑大于所述第三空氣柱的直徑，其第三空氣柱的直徑大于所述第一空氣柱的直徑，光從其中任一波導輸入而從另一間隔的波導輸出，其余波導均處于光隔離狀態(tài)以形成單方向光環(huán)行傳輸。在本發(fā)明中，包括具有十個磁光腔的八端口環(huán)行器，所述十個磁光腔的中心依次連線形成兩個級聯(lián)的正六邊形，在所述兩個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建八個波導。在本發(fā)明中，包括具有十三個磁光腔的九端口環(huán)行器，所述十三個磁光腔的中心依次連線形成三個級聯(lián)的正六邊形，在所述三個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建九個波導。在本發(fā)明中，包括具有十六個磁光腔的十端口環(huán)行器，所述十六個磁光腔的中心依次連線形成四個級聯(lián)的正六邊形，在所述四個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建十個波導。在本發(fā)明中，包括具有二十四個磁光腔的十二端口環(huán)行器，所述二十四個磁光腔的中心依次連線形成七個級聯(lián)的正六邊形，在所述七個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建十二個波導。在本發(fā)明中，所述的每一磁光腔包括一磁光材料柱和六個分布在該磁光材料柱周圍的第一空氣柱，該磁光材料柱是由向一第一空氣柱填充磁光材料并施加與第一空氣柱軸線平行方向的磁場形成。在本發(fā)明中，所述每一磁光腔為中心周圍設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，其第四空氣柱的直徑大于所述第三空氣柱的直徑，其第三空氣柱的直徑大于所述第一空氣柱的直徑。在本發(fā)明中，所述相鄰磁光腔之間的距離為na時，環(huán)行器單方向光環(huán)行功能不變，其中n為自然正整數(shù)，取值范圍為5《n《7，即相鄰磁光腔的間距大于等于五個所述光子晶體晶格常數(shù)而小于等于七個所述光子晶體晶格常數(shù)。在本發(fā)明中，所述波導的長度至少為三個所述光子晶體晶格常數(shù)，并且增加波導長度，環(huán)行器單方向光環(huán)行功能不變。在本發(fā)明中，所述介質材料可以為氮化鎵介質材料，所述填充第一空氣柱的磁光材料可以為鉍鐵石榴石。在本發(fā)明中，所述分布于介質材料中的第一空氣柱至第四空氣柱以及磁光材料柱的截面可以為圓型、四邊形，五邊形或六邊形。在本發(fā)明中，所述光子晶體中的第一空氣柱至第四空氣柱為低折射率材料的介質柱。相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明利用磁光腔的環(huán)狀級聯(lián)方式和旋光效應，實現(xiàn)多端口間的光信號單方向環(huán)行傳輸，提供多個端口間的高效率光傳輸和高度光隔離，本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器可以同時引導或隔離多個器件之間的光反射，有效解決復雜光子晶體集成光路中的光信號串擾問題；此外，本發(fā)明的光子晶體多端口環(huán)行器結構緊湊、具有寬的工作頻段，且易與其它光子晶體器件實現(xiàn)集成。圖l為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第一實施方式的介質-空氣柱型光子晶體六端口環(huán)行器的結構示意圖。圖2為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第一實施方式的介質-空氣柱型光子晶體六端口環(huán)行器的結構簡圖。圖3為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第一實施方式的光譜示意圖，其中光從波導端口61入射，實線對應波導端口63的光功率，虛線對應波導端口62的光功率，點線對應波導端口64或66的光功率，虛線_點線對應波導端口65的光功率，虛線-雙點線對應光反射和光損耗的總和。圖4表示本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第一實施方式的光傳輸示意圖，其中波導端口61為入射波導端口，波導端口63為出射波導端口，波導端口62、波導端口64至波導端口66為隔離波導端口。圖5為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第一實施方式的第一磁光腔51和第三磁光腔53的光耦合示意圖，其中，標號11為第一磁光腔51的輸入方向、12為第一磁光腔51的輸出方向，13為第三磁光腔53的輸入方向、14為第三磁光腔53的輸出方向。圖6為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器的第一實施方式的光傳輸示意圖，波導端口64為入射波導端口，波導端口66為出射波導端口，波導端口61至63及波導端口65為隔離波導端口。圖7為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第一實施方式的第四磁光腔54和第六磁光腔56的光耦合示意圖，其中，21為第四磁光腔54的輸入方向、22為第四磁光腔54的輸出方向，23為第六磁光腔56的輸入方向、24為第六磁光腔56的輸出方向。圖8為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第二實施方式的結構簡圖，其中，該環(huán)行器為光子晶體八端口環(huán)行器。圖9為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第三實施方式的結構簡圖，其中，該環(huán)行器為光子晶體九端口環(huán)行器。圖10為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第四實施方式的結構簡圖，其中，該環(huán)行器為光子晶體十端口環(huán)行器。圖11為本發(fā)明光子晶體多端口環(huán)行器第五實施方式的結構簡圖，其中，該環(huán)行器為光子晶體十二端口環(huán)行器。具體實施例方式下面根據(jù)附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步闡述。第一實施方式光子晶體六端口環(huán)行器。首先是構造光子晶體六端口環(huán)行器的主體，確定結構參數(shù)和組成材料。如圖1所示，本發(fā)明的環(huán)行器主體是介質材料背景中第一空氣柱10周期分布的二維光子晶體，第一空氣柱10的截面為x-y平面，軸線沿z軸方向，光子晶體的晶格常數(shù)a設定為1Pm.所述第一空氣柱10的直徑d為0.72iim，并且任何相鄰三個第一空氣柱10的中心連線構成等邊三角形，即第一空氣柱10呈三角對稱排列。介質材料可以選擇折射率為2.5的氮化鎵(GaN)材料。通過平面波展開的計算方法表明，該介質-空氣柱型光子晶體存在較寬的TE極化波(磁場沿z軸方向)光子禁帶，帶隙寬度從歸一化頻率a/入=0.307到a/A=0.418，其中A代表光波長。5圖2是該光子晶體六端口環(huán)行器對應的結構簡圖。在以上光子晶體中，選定正好處于等邊六角形頂點的六個第一空氣柱IO(相鄰間隔五個第一空氣柱IO)，擴大它們的直徑到0.8ym并填充磁光材料，同時施加與第一空氣柱IO軸線平行方向(z軸)的磁場，每一磁光材料柱(網(wǎng)格線標示)與周圍六個第一空氣柱10構成點缺陷磁光腔，形成的六個光子晶體磁光腔分別標記為第一磁光腔51、第二磁光腔52、第三磁光腔53、第四磁光腔54、第五磁光腔55和第六磁光腔56。該填充第一空氣柱10的磁光材料可以選擇為鉍鐵石榴石(BismuthIronGarnet,BIG)，其對角元參量e。和非對角元參量ea分別選為6.25和0.0517。在環(huán)狀排列的六個磁光腔外圍，對應每個磁光腔構建一個連接波導，即第一波導1、第二波導2、第三波導3、第四波導4、第五波導5和第六波導6。每一波導是利用介質材料氮化鎵填充一列第一空氣柱10構成，該六個波導的交線與六個磁光腔連成的正六邊形中心重合，并且相鄰波導交線的夾角均為60度。第一波導1至第六波導6對應的波導端口分別為第一波導端口61、第二波導端口62、第三波導端口63、第四波導端口64、第五波導端口65和第六波導端口66。另外，為了提高光耦合效率，在相鄰的磁光腔和相鄰的磁光腔與波導之間均設置兩個直徑為0.36iim的第二空氣柱20。為了提高環(huán)行器的工作性能，在以每一磁光腔為中心的周圍設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱30(在圖1中，即空氣柱H)和第四空氣柱40(在圖1中，即空氣柱K)，其第四空氣柱40的直徑大于所述第三空氣柱30的直徑，第三空氣柱30的直徑大于所述第一空氣柱10的直徑。根據(jù)端口的光傳輸效率確定第三空氣柱30和第四空氣柱40的最佳尺寸設置光從波導端口61入射，分別在每一波導端口設置探測點獲得相應的光功率，其中波導端口61對應反射光功率，波導端口62至波導端口66對應透射光功率。通過調(diào)節(jié)第三空氣柱30和第四空氣柱40的直徑，得到如圖3所示的最佳光譜圖，其中實線對應波導端口63的光功率，虛線對應波導端口62的光功率，點線對應波導端口64或波導端口66的光功率，虛線_點線對應波導端口65的光功率，虛線-雙點線對應光反射和光損耗的總和。結果表明，該環(huán)行器的最佳歸一化頻率為a/A=0.352，此時波導端口63為光輸出波導端口，光功率達到最大值95%;波導端口62、波導端口64和波導端口66為光隔離端口，光功率分別達到最小值2%、1%和1%;波導端口65為光隔離波導端口，光功率幾乎為0;光損耗和光反射總和達到最小值1%。另外，除了波導端口65在歸一化頻率a/A=0.352處對應幾乎為0的光功率外，其余波導端口的光功率在歸一化頻率范圍(0.350,0.354)內(nèi)基本無明顯變化，表明該環(huán)行器具有一定的工作頻率帶寬。對應歸一化頻率a/A=0.352，第三空氣柱30和第四空氣柱40的直徑最佳值分別為0.78iim和0.86ym.由于結構的旋轉對稱性，上述的優(yōu)化參數(shù)對于光從其它波導端口入射的情況同樣適用。進一步是利用時域有限差分方法數(shù)值模擬光傳輸特性，檢驗光子晶體六端口環(huán)行器件的工作性能。選定歸一化頻率a/A=0.352作為環(huán)行器性的工作頻率，對應的環(huán)行器工作波長為A=(1/0.352)iim，即2.841ym.由于磁光腔的旋光效應，導致磁光腔內(nèi)磁場的波矢發(fā)生旋轉，對連接磁光腔的波導分別產(chǎn)生光傳輸效果和光隔離效果，實現(xiàn)光在六個波導間單方向光環(huán)行的功能。以下選定光從波導端口61和波導端口64分別入射的情況說明該環(huán)行器的光傳輸特性。參照圖4，光從波導端口61入射，最后從波導端口63輸出，波導端口62、波導端口64至波導端口66均處于光隔離狀態(tài)。輸出波導端口63的光功率為95%;隔離狀態(tài)下的波導端口62、波導端口64至波導端口66的光功率都在3%以下，其中波導端口62的光功率為2%，波導端口64和波導端口66由于對稱性具有相同的光功率為1%，波導端口65的光功率幾乎為0。光損耗和光反射總和達到最小值1%。針對光從波導端口61入射的情況，相鄰磁光腔與磁光腔、相鄰磁光腔與波導之間設置的直徑減小的第二空氣柱20表現(xiàn)出雙重作用，具體為第一磁光腔51和第二磁光腔52、第二磁光腔52和第三磁光腔53、第一磁光腔51和第一波導1、第三磁光腔53和第三波導3之間的第二空氣柱20表現(xiàn)為光耦合作用；第三磁光腔53和第四磁光腔54、第四磁光腔54和第五磁光腔55、第五磁光腔55和第六磁光腔56、第六磁光腔56和第一磁光腔51、第二磁光腔52和第二波導2、第四磁光腔54和第四波導4、第五磁光腔55和第五波導5、第六磁光腔56和第六波導6之間的第二空氣柱20表現(xiàn)為光隔離作用。該環(huán)行器以間隔一個波導端口的方式進行單方向光環(huán)行傳輸，歸因于此情況下第一磁光腔51和第三磁光腔53的光輸入、輸出方向分別平行，即圖5中光傳輸方向ll與傳輸方向13保持平行、光傳輸方向12與傳輸方向14保持平行，使得第一磁光腔51和第三磁光腔53之間形成高效率耦合。參照圖6，光從波導端口64入射，最后從波導端口66輸出，波導端口61至波導端口63、波導端口65均處于光隔離狀態(tài)。輸出波導端口66的光功率為95%;波導端口61至波導端口63、波導端口65的光功率都在3%以下，其中波導端口65的光功率為2%，波導端口61和波導端口63由于對稱性具有相同的光功率為1%，波導端口62的光功率幾乎為0。光損耗和光反射總和達到最小值1%。針對光從波導端口64入射的情況，磁光腔與磁光腔、磁光腔與波導之間設置的直徑減小的第二空氣柱20表現(xiàn)出雙重作用，具體為第四磁光腔54和第五磁光腔55、第五磁光腔55和第六磁光腔56、第四磁光腔54和第四波導4、第六磁光腔56和第六波導6之間的第二空氣柱20表現(xiàn)為光耦合作用；第一磁光腔51和第二磁光腔52、第二磁光腔52和第三磁光腔53、第三磁光腔53和第四磁光腔54、第一磁光腔51和第六磁光腔56、第一磁光腔51和第一波導1、第二磁光腔52和第二波導2、第三磁光腔53和第三波導3、第五磁光腔55和第五波導5之間的第二空氣柱20表現(xiàn)為光隔離作用。該環(huán)行器以間隔一個波導端口的方式進行單方向光環(huán)行傳輸，歸因于此情況下第四磁光腔54和第六磁光腔56的光輸入、輸出方向分別平行，即圖7中光傳輸方向21與光傳輸方向23保持平行、光傳輸方向22與光傳輸方向24保持平行，使得第四磁光腔54和第六磁光腔56之間形成高效率耦合。針對本發(fā)明的光子晶體六端口環(huán)行器，光從其它波導端口入射的情況具體為從波導端口62輸入的光從波導端口64輸出，波導端口61、波導端口63、波導端口65和波導端口66處于光隔離狀態(tài)；從波導端口63輸入的光從波導端口65輸出，波導端口61、波導端口62、波導端口64和波導端口66處于光隔離狀態(tài)；從波導端口65輸入的光從波導端口61輸出，波導端口62至波導端口64、波導端口66處于光隔離狀態(tài)；從波導端口66輸入的光從波導端口62輸出，波導端口61、波導端口63至波導端口65處于光隔離狀態(tài)。六種不同波導端口入射情況的端口光功率見以下表1。表1為不同波導端口入射情況各端口的光功率、光反射與損耗總和<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>針對以上參數(shù)的光子晶體環(huán)行器，在歸一化頻率范圍(0.350，0.354)內(nèi)仍可實現(xiàn)高效率和高隔離度的單方向環(huán)行光傳輸功能。根據(jù)光子晶體的等比例縮放特性，即等比例擴大或縮小光子晶體晶格常數(shù)、介質材料的尺寸、空氣柱和磁光材料柱的尺寸等參數(shù)，并且選擇合適的材料，該結構的環(huán)行功能可以擴展到任意電磁波波段。具體為給定工作波長Ap選取晶格常數(shù)^二a(A乂A)=0.352Ap其中a和A分別為以上實施例中的晶格常數(shù)和工作波長，將系統(tǒng)中的介質尺寸、介質材料的尺寸、空氣柱和磁光材料柱的尺寸等參數(shù)都同比例縮放為以上實施例中所述值的(A乂A)倍。選定工作波長、=1.550iim，此時對應的晶格常數(shù)為ai=0.546iim，第一空氣柱10的直徑為0.393iim，磁光材料柱的直徑為0.437ym，優(yōu)化第二空氣柱20、第三空氣柱30和第四空氣柱40的直徑分別為0.197iim、0.426ym和0.470ym.當波長為1.550ym的光波從不同波導端口入射，仍然獲得波導端口61到波導端口63、波導端口62到波導端口64、波導端口63到波導端口65、波導端口64到波導端口66、波導端口65到波導端口61和波導端口66到波導端口62的光傳輸特性，各端口的光功率與表1相同。第二實施方式光子晶體八端口環(huán)行器。在與光子晶體六端口相同的介質-空氣柱型光子晶體中，通過磁光腔級聯(lián)成多個環(huán)狀結構能夠實現(xiàn)環(huán)行器的端口擴展。在光子晶體中，晶格常數(shù)a為lym，第一空氣柱lO的直徑d為O.72ym;介質材料可以選擇折射率為2.5的氮化鎵(GaN)材料；磁光腔是由磁光材料填單個第一空氣柱10形成的磁光材料柱與周圍的六個第一空氣柱10形成，并且對磁光材料柱施加與第一空氣柱10軸線平行方向(z軸)的磁場。如圖8所示，將十個磁光腔(第一磁光腔51至第十磁光腔510)級聯(lián)形成兩個正六邊形連接的結構，其中兩個正六邊形有一條公共邊，并且對應第一磁光腔51、第二磁光腔52、第三磁光腔53、第六磁光腔56、第七磁光腔57、第八磁光腔58、第九磁光腔59和第十磁光腔510均向外構建一個波導，獲得光子晶體八端口環(huán)行器。第三實施方式光子晶體九端口環(huán)行器。同理，如圖9所示，將十三個磁光腔(第一磁光腔51至第十三磁光腔513)級聯(lián)形成三個正六邊形連接的結構，其中三個正六邊形兩兩有一條公共邊，并且對應第一磁光腔51、第二磁光腔52、第三磁光腔53、第八磁光腔58、第九磁光腔59、第十磁光腔510、第i^一磁光腔511、第十二磁光腔512和第十三磁光腔513向外均構建一個波導，獲得光子晶體九端口環(huán)行器。第四實施方式光子晶體十端口環(huán)行器。如圖IO所示，將十六個磁光腔(第一磁光腔51至第十六磁光腔516)級聯(lián)形成四個正六邊形連接的結構，其中四個正六邊形中心依次連線構成平行四邊形，并且對應磁光腔51、52、58、59、510、512、513、514、515和516均向外構建一個波導，獲得十端口的光子晶體環(huán)行器。第五實施方式光子晶體十二端口環(huán)行器。如圖11所示，將二十四個磁光腔(第一磁光腔51至第二十四磁光腔524)級聯(lián)形成七個正六邊形連接的結構，其中六個正六邊形對稱分布于一個正六邊形周圍，并且對應磁光腔51、52、59、510、511、512、517、518、519、520、523和524均向外構建一個波導，獲得十二端口的光子晶體環(huán)行器。在以上幾種端口擴展的光子晶體環(huán)行器結構中，每個磁光腔處于正六邊形的頂點，并且結構優(yōu)化方式和參數(shù)與六端口環(huán)行器的相同，即在相鄰磁光腔與磁光腔、相鄰磁光腔與波導之間均設置兩個直徑為0.36ym的第二空氣柱，以每個磁光腔為中心設置兩個周期直徑為0.78iim和0.86iim的第三空氣柱30和第四空氣柱40。在上述八端口光子晶體環(huán)行器中，八個磁光腔51、52、53、56、57、58、59和510的連接波導分別為波導端口61至波導端口68。根據(jù)能夠高效率耦合的兩個磁光腔對應的輸入、輸出波導分別滿足平行的原則，八端口環(huán)行器實現(xiàn)的光環(huán)行功能為從波導端口61輸入的光從波導端口64輸出，波導端口62、63、65-68處于光隔離狀態(tài)；從波導端口62或63輸入的光從波導端口65輸出，波導端口61、64、66-68處于光隔離狀態(tài)；從波導端口64輸入的光從波導端口66輸出，波導端口61-63、65、67、68處于光隔離狀態(tài)；從波導端口65輸入的光從波導端口68輸出，波導端口61-64、66、67處于光隔離狀態(tài)；從波導端口66或67輸入的光從波導端口61輸出，波導端口62-65、68處于光隔離狀態(tài)；從波導端口68輸入的光從波導端口62輸出，波導端口61、63-67處于光隔離狀態(tài)。上述光子晶體九端口、十端口和十二端口的光環(huán)行功能如以下表2所示。表2八端口、九端口、十端口、十二端口磁光光子晶體環(huán)行器的環(huán)行特點環(huán)行器類型端口環(huán)行特點八端口端口61—64，端口62或63—65，端口64—66，端口65—68，端口66或67—61，端口68—629<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>在以上實施方式中，該磁光材料在施加與第一空氣柱軸線平行(z軸)的磁場后，其介電參量可以用如下三維張量表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>張量中的對角元e。對應無外加磁場時的材料介電常數(shù)，非對角元ea則反應施加外磁場后磁光效應的強度。光子晶體磁光腔的旋光效應具體是指，點缺陷腔中磁光材料產(chǎn)生的磁光效應導致缺陷腔支持的本征模式形成相互耦合作用，使得腔中電磁場分布模式發(fā)生旋轉變化。磁光腔的旋光效應能夠使腔內(nèi)磁場的波矢對磁光腔連接的波導分別產(chǎn)生平行和偏離效果，與波矢平行的波導則對應光傳輸狀態(tài)，而與波矢偏離的波導則對應光隔離狀態(tài)。在以上實施方式中，相鄰磁光腔與磁光腔之間設置兩個直徑減小的第二空氣柱20，針對不同情況具有不同功效當兩個磁光腔對應的波導處于光傳輸狀態(tài)時，連接兩個磁光腔的第二空氣柱20有助于光傳輸作用；當兩個磁光腔對應的波導處于光隔離狀態(tài)時，連接兩個磁光腔的第二空氣柱20有助于光隔離作用。在以上實施方式中，相鄰磁光腔與波導之間設置兩個直徑減小的第二空氣柱20，針對不同情況具有不同功效當磁光腔與對應的波導產(chǎn)生光傳輸狀態(tài)時，連接的第二空氣柱20有助于光傳輸作用；當磁光腔與對應的波導產(chǎn)生光隔離狀態(tài)時，連接的第二空氣柱20有助于光隔離作用。在以上實施方式中，以磁光腔為中心設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱30和第四空氣柱40，一方面它們可以降低波導之間的干擾，另一方面它們可以提高傳輸波導的效率。在以上實施方式中，相鄰磁光腔之間的距離為na時，環(huán)行器單方向光環(huán)行功能不變，其中n為自然正整數(shù)，取值范圍為5《n《7，即相鄰磁光腔的間距大于等于五個所述光子晶體晶格常數(shù)而小于等于七個所述光子晶體晶格常數(shù)。在以上實施方式中，所述波導的長度至少為三個所述光子晶體晶格常數(shù)，并且增加波導長度，環(huán)行器單方向光環(huán)行功能不變。在以上實施方式中，介質折射率、第一空氣柱至第四空氣柱的尺寸可以在適當范圍內(nèi)調(diào)整。在以上實施方式中，周期分布于介質材料中的第一空氣柱至第四空氣柱以及磁光材料柱的截面可以為圓型、四邊形，五邊形或六邊形。在以上實施方式中，通過等比例縮放光子晶體晶格常數(shù)、介質材料的尺寸、第一空氣柱至第四空氣柱以及磁光材料柱的尺寸等參數(shù)和選擇合適的材料，該結構的單方向光環(huán)行功能可以擴展到任意電磁波波段的應用。本發(fā)明利用磁光腔的環(huán)狀級聯(lián)方式和旋光效應，實現(xiàn)六端口間的光信號單方向環(huán)行傳輸，能夠提供六個端口間的高效率光傳輸和高度光隔離。本發(fā)明利用光子晶體磁光腔進一步級聯(lián)成多個環(huán)狀結構，能夠實現(xiàn)環(huán)行器端口的擴展；在上述的介質_空氣柱型光子晶體中，分別將十個、十三個、十六個、二十四個磁光腔級聯(lián)形成兩個、三個、四個、七個正六邊形連接的結構，并且對應最外圍磁光腔均向外構建一個波導，即獲得八端口、九端口、十端口、十二端口的光子晶體環(huán)行器；在第二至第五實施方式中，磁光腔和波導的構成、結構優(yōu)化方式及參數(shù)與上述光子晶體六端口環(huán)行器相同。磁光腔級聯(lián)成多個環(huán)形結構的光子晶體環(huán)行器，能夠實現(xiàn)更多端口間的光信號單方向環(huán)行傳輸。本發(fā)明的環(huán)行器結構緊湊、具有寬的工作頻段，且易與其它光子晶體器件實現(xiàn)集成。進一步，級聯(lián)光子晶體磁光腔構成相連的多個環(huán)形結構，實現(xiàn)環(huán)行器的端口擴展，獲得功能更豐富的環(huán)行器。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權利要求范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明權利要求的涵蓋范圍。權利要求一種光子晶體多端口環(huán)行器，所述光子晶體主體由介質材料中三角對稱分布的第一空氣柱構成，其特征在于包括至少六個磁光腔，所述磁光腔的中心依次連線形成一個正六邊形或者多個級聯(lián)的正六邊形，在一個正六邊形或者多個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建至少六個波導，每一波導由介質材料填充一列第一空氣柱形成，在相鄰的磁光腔之間和相鄰的磁光腔與波導之間均設置兩個直徑小于第一空氣柱直徑的第二空氣柱，在以每一磁光腔為中心周圍設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，光從其中任一波導輸入而從另一間隔的波導輸出，其余波導均處于光隔離狀態(tài)以形成單方向光環(huán)行傳輸。2.根據(jù)權利要求1所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于包括具有十個磁光腔的八端口環(huán)行器，所述十個磁光腔的中心依次連線形成兩個級聯(lián)的正六邊形，在所述兩個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建八個波導。3.根據(jù)權利要求1所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于包括具有十三個磁光腔的九端口環(huán)行器，所述十三個磁光腔的中心依次連線形成三個級聯(lián)的正六邊形，在所述三個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建九個波導。4.根據(jù)權利要求1所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于包括具有十六個磁光腔的十端口環(huán)行器，所述十六個磁光腔的中心依次連線形成四個級聯(lián)的正六邊形，在所述四個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建十個波導。5.根據(jù)權利要求1所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于包括具有二十四個磁光腔的十二端口環(huán)行器，所述二十四個磁光腔的中心依次連線形成七個級聯(lián)的正六邊形，在所述七個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建十二個波導。6.根據(jù)權利要求1至5任意一項所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于所述的每一磁光腔包括一磁光材料柱和六個分布在該磁光材料柱周圍的第一空氣柱，該磁光材料柱是由向一第一空氣柱填充磁光材料并施加與第一空氣柱軸線平行方向的磁場形成。7.根據(jù)權利要求1至5任意一項所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于所述每一磁光腔為中心周圍設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，其第四空氣柱的直徑大于所述第三空氣柱的直徑，其第三空氣柱的直徑大于所述第一空氣柱的直徑。8.根據(jù)權利要求1至5任意一項所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于所述相鄰磁光腔之間的距離為na時，環(huán)行器單方向光環(huán)行功能不變，其中n為自然正整數(shù)，取值范圍為5《n《7，即相鄰磁光腔的間距大于等于五個所述光子晶體晶格常數(shù)而小于等于七個所述光子晶體晶格常數(shù)。9.根據(jù)權利要求1至5任意一項所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于所述波導的長度至少為三個所述光子晶體晶格常數(shù)，并且增加波導長度，環(huán)行器單方向光環(huán)行功能不變。10.根據(jù)權利要求6所述的光子晶體多端口環(huán)行器，其特征在于所述分布于介質材料中的第一空氣柱至第四空氣柱以及磁光材料柱的截面為圓型、四邊形，五邊形或六邊形，所述光子晶體中的第一空氣柱至第四空氣柱為低折射率材料的介質柱。全文摘要本發(fā)明提供一種光子晶體多端口環(huán)行器，該光子晶體主體由介質材料中三角對稱分布的第一空氣柱構成，其包括至少六個磁光腔，所述磁光腔的中心依次連線形成一個正六邊形或多個級聯(lián)的正六邊形，在一個正六邊形或多個級聯(lián)的正六邊形外圍對稱地構建至少六個波導，在相鄰的磁光腔之間和相鄰的磁光腔與波導之間均設置兩個直徑小于第一空氣柱直徑的第二空氣柱，在以每一磁光腔為中心周圍設置兩個周期直徑遞增的第三空氣柱和第四空氣柱，光從其中任一波導輸入而從另一間隔的波導輸出，其余波導均處于光隔離狀態(tài)以形成單方向光環(huán)行傳輸。本發(fā)明結構緊湊，能在較寬頻帶范圍內(nèi)實現(xiàn)光環(huán)行功能，在光子晶體器件集成中具有引導和隔離串擾光信號的功能。文檔編號G02F1/095GK101788728SQ20091018888公開日2010年7月28日申請日期2009年12月14日優(yōu)先權日2009年12月14日發(fā)明者歐陽征標,王瓊申請人:深圳大學;歐陽征標