THz磁-硅光子晶体环形器非互易传输与调控

下面研究整个环形器的传输特性。如图7.11所示的器件稳态场分布,在无外磁场时,器件在0.495c/a处实现了Y型波导分束的功能。在7.17 T外磁场下,器件在0.554c/a处实现了环形器的非互易单向传输功能,即THz波由A口输入时仅能由B口输出,从B口输入时由C口输出,而不能返回到A口,如此循环。当外磁场反向时,这一输入-输出顺序也反向。0.554c/a的工作频率正好与图7.10所示的光子晶体微腔在7.17 T磁场强度下旋转模式的谐振频率(ωL+ωR)/2吻合,也与图7.12中的传输谱线和隔离度谱线的结果很好地吻合。

图7.11　环形器的稳态场分布[5]

(a)无外磁场时,从A口入射频率为0.495c/a的THz波;(b,c)7.17 T磁场强度下,频率为0.554c/a的THz波分别从A口和B口入射

为了分析外磁场对器件的调控特性,图7.12给出了器件在不同外磁场下的传输谱线和隔离度谱线。首先来看器件的传输性质,图7.12(a)中所有谱线的最大透过率都超过了85%,且谱线的通带随着外磁场的增大向高频移动。因此,通过外磁场调控器件具有可调谐滤波的功能,中心工作频率在180~205 GHz。这一结果与图7.10所示的旋转模式频率移动结果很好地吻合。

图7.12　不同外磁场下的正向透射光谱线和隔离度谱线[5](www.xing528.com)

(a)端口A到B的透射光谱;(b)端口C与B间的隔离度谱线

然后来看图7.12(b)所示的器件的隔离性质。起初,随着外磁场的增大,器件的隔离度峰值增大,中心工作频率也向高频移动;在7.17 T处峰值达到最大值65.2 dB后,隔离度峰值又随磁场继续增大而迅速减小。7.24 T下的磁-硅光子晶体微腔中的旋转偶极子模式[图7.13(a)]与7.17 T下[图7.9(b)]的模式具有明显不同的特征,这三个偶极子模式不仅存在沿铁氧体柱x-y平面的旋转分量,同时也存在z方向上的振动分量,可见弱的磁光效应不足以完全打破两个模式间的简并状态。图7.13(b)所示的7.24 T下环形器的稳态场显示,除大部分能量从输出端B出射外,还有部分能量从隔离端C出射,环形器没有很好地实现单向隔离传输。造成7.24 T下器件隔离度较低的主要原因有：一是由于微腔谐振频率远离铁氧体材料的铁磁共振频率,导致旋磁性κ/μ较弱;二是由于微腔谐振频率处于整个光子带隙的边沿,微腔对谐振模式的束缚能力较弱。两者共同作用使得微腔中旋转偶极子的磁光耦合较弱,从而导致环形器的非互易传输能力下降。可见要提高环形器的性能,一方面可以通过优化器件结构,另一方面需要采用在THz波段具有大的旋磁效应和低损耗的磁光材料。

图7.13　

(a)在7.24 T下,微腔中的模式分布;(b)在7.24 T下,环形器的稳态场分布[5]

本节介绍了一种在硅光子晶体中嵌入铁氧体柱形成微腔结构的THz环形器,深入研究了该结构的光子带隙、磁光旋转模式和非互易传输性质。通过对器件结构的优化设计,大大增强了磁光子晶体微腔中的磁光耦合,实现了中心波长在180~205 GHz内的可调谐单向传输,其最大隔离度高达65.2 dB,并进一步探究了不同外磁场下铁氧体材料的旋磁性、色散和铁磁损耗对器件传输和隔离性质的影响。通过不同磁场调控,该环形器可以实现对THz波的可控分束、调谐滤波和单向隔离传输等多种功能。