磁-硅光子晶体微腔的模式分析

由FEM的本征值求解方法可以计算微腔中的各个模场分布和它们的谐振频率随磁场变化的曲线,分别如图7.9和图7.10所示。不同于以往光子晶体环形器的设计,如图7.9(b)所示,这里的微腔中含有三个铁氧体柱,每个铁氧体柱上都形成一对旋转偶极子,它们与铁氧体柱很好的空间重合度实现了腔中强烈的磁光耦合效应。腔内其他缺陷模式的磁光耦合很弱,不能支持环形器的功能。例如,图7.9(a)所示的单极模式就不具有任何非互易性,因为它所处的频率远离铁氧体铁磁共振的频率,使得材料的旋磁性κ/μ接近于0;而图7.9(c)所示的混合模式仅具有很弱的非互易性,因为它的大部分模场都位于腔的中心,并不与铁氧体柱在空间上重叠。因此,尽管磁-硅光子晶体微腔中存在多种缺陷模式,只有左旋和右旋偶极子模式对实现环形器的功能起到了关键作用。

图7.9　在7.17 T磁场强度下,磁-硅光子晶体微腔的模式分布(铁氧体柱的位置在图中由字母标出)[5]

(a)在0.495c/a频率处的单极模式,该模式在z方向振动;(b)在0.554c/a频率处的旋转偶极子模式,该模式沿铁氧体柱在x y平面做顺时针旋转;(c)在0.572c/a频率处的混合模式,该模式既包含腔中心的振动模式,又包含在铁氧体柱上的旋转模式(www.xing528.com)

由于外磁场的大小可以改变铁氧体材料在THz波段的电磁性质,因此随着外磁场的增大,器件的中心工作频率(ωL+ωR)/2从0.52c/a增大到0.56c/a,如图7.10所示。如图7.2(b)所示,由于磁场增大和频率降低这两个因素都会导致铁氧体旋磁性κ/μ的减弱,而器件的工作频率又随磁场增大而上升,因此上述两个因素彼此制约,折中的结果是导致在带隙中部的0.52c/a~0.56c/a存在一个最强的磁光耦合的频率,在此处能获得最大的环形器隔离度。此外,靠近光子带隙边沿的频率,由于微腔对模场的束缚能力的减弱,也是导致磁光耦合减弱的一个因素。

图7.10　光子晶体微腔中谐振频率随磁场变化的曲线[5]