具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种磁光调制器，能够实现具有增益的高消光比光调制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明所提供的一种磁光调制器，如图1所示，所述磁光调制器的一端与入射光纤连接，所述磁光调制器的另一端与出射光纤连接，泵浦光和被调制光从入射端接入入射光纤。在泵浦光作用下，PT对称结构中的增益介质层A⁺中的掺杂量子点就会以能级跃迁的方式来吸取能量，当结构在特定频率点处满足耦合共振条件时，泵浦能量就会转化为此频率点下被调制光的电磁能，从而实现透射率的放大。

所述磁光调制器包括：线圈1、周期性宇称-时间PT对称光子晶体微腔单元2以及信号发生器3；

所述线圈1缠绕在PT对称光子晶体微腔单元2上，所述线圈1的一端与所述信号发生器3的输入端连接，所述线圈1的另一端与所述信号发生器3的输出端连接；

所述信号发生器3用于控制所述线圈1的电信号；所述PT对称光子晶体微腔单元2用于根据电信号的变化改变光子晶体结构中磁流体层的折射率。当线圈1中有电流通过时，主体结构外部就形成随电信号变化的磁场环境。可以通过对电信号的控制来改变磁场强弱，进而改变光子晶体结构中磁流体层的折射率，使得PT对称结构透射谱缺陷模式的频率移动，从而改变被调整光的透射率，实现了磁光调制。

PT对称光子晶体微腔单元2的生长方向与光纤截面垂直；

PT对称理论起源于量子力学，定义宇称和时间作用算符分别为PΨ(r，t)＝Ψ(-r，t)和TΨ(r，t)＝Ψ*(r，-t)，若当系统的哈密顿算符H满足H＝PTHPT时，表明该系统满足PT对称条件。对于光学系统而言，当介质折射率满足实部偶对称分布，虚部奇对称分布时，结构就满足PT对称条件，从而产生特殊反射和透射、非互易传输等特性。

图2为本发明所提供的PT对称光子晶体微腔单元2结构示意图，如图2所示，所述PT对称光子晶体微腔单元2包括：形成缺陷微腔的敏感磁流体层磁流体层D、第一匹配单元(A⁺BA^-)^N和第二匹配单元(A^-BA⁺)^N，其中N为第一、第二匹配单元中PT对称周期单元(A⁺BA^-)和(A^-BA⁺)的数目；所述第一匹配单元和所述第二匹配单元关于磁流体层对称设置；

所述第一匹配单元包括：依次设置的损耗介质层A⁺、匹配层B以及增益介质层A^-；

所述第二匹配单元包括：依次设置的增益介质层A^-、匹配层B以及损耗介质层A⁺。

A^-层和A⁺层分别代表增益介质层损耗介质层，在普通基底材料中掺杂不同浓度的量子点实现对损耗介质层(A⁺层)和增益介质层(A^-层)的构建，其中，A^-层折射率可以表示为n＝n₀-ρi，A⁺层折射率可以表示为n＝n₀+ρi，构成PT对称结构。

为了更好利用结构优良的光学特性，调整各介质层厚度为d_A+＝d_A-＝1065nm，匹配层厚度d_B＝1017.7nm，磁流体层厚度d_D＝2d_B，使结构缺陷模位于1550nm波长处，且光子禁带关于中心波长呈对称分布，

对于整体结构而言，磁流体层相当于结构的缺陷腔，这样在结构的透射谱禁带中就会出现与之对应的透射缺陷模式。当磁流体层的折射率随着磁性因子变化时，禁带中的缺陷模式频率位置也随之改变。另外PT对称结构的各层结构参数对缺陷模式频率位置也会发生影响。以下说明各个参数的优化过程。

所述匹配层为氧化锌介质层；所述氧化锌介质层的折射率为2。

当磁性因子α_M＝0时，所述匹配层和磁流体层的物理厚度的关系为d_D＝2d_B；

其中，d_D为磁流体层的物理厚度，d_B为匹配层的物理厚度。

所述第一匹配单元和第二匹配单元损耗和增益层的宏观洛伦兹震荡强度为1.7×10^-4；

其中，损耗介质层的折射率为1.2247+0.0003i；增益介质层的折射率为1.2247-0.0003i。

所述形成缺陷微腔的敏感磁流体层为水基MnFe₂O₄磁流体层。

所述水基MnFe₂O₄磁流体层中磁性MnFe₂O₄粒子的体积分数为0.8。其优化过程为：

在外磁场的作用下，水基磁流体中纳米磁性MnFe₂O₄粒子会受到磁化作用而排成纳米粒子链。基于介质磁化理论，磁流体D层的有效介电常数ε_M满足：

令磁流体有效折射率可表示为：

其中，ε_L为载液的介电常数；ε_S为磁性MnFe₂O₄粒子的介电常数；对于水基MnFe₂O₄磁流体，ε_L＝1.77、ε_S＝13.9876；p为磁性MnFe₂O₄粒子在磁流体中的体积分数；α_M为入射光电场分量平行纳米粒子链时的外加磁性因子，与外界磁场强度大小有关(0<α_M<1)。磁性因子与磁场强度的关系可用悬架流体动力学和非平衡态下动力学进行分析^[23]，本申请用磁性因子大小表示磁场强度进行理论分析。

从磁流体有效折射率的公式中可以看出，磁性MnFe₂O₄粒子在磁流体中体积分数p的大小影响磁流体层的有效折射率。

图3给出了不同体积分数下，当磁性因子从0变化到1时，磁流体层的有效折射率曲线。从图3可以看出，随着体积分数的增加，在整个磁性因子变化区间内，磁流体层的有效折射率变化范围在逐渐变大，当p＝0.5、0.6、0.7、0.8时，磁流体层有效折射率变化范围分别为1.903-2.147、1.998-2.364、2.088-2.613、2.175-2.909。为了可以在更大范围内对缺陷模式进行调制，p值应该尽可能大，但考虑到实际铁基磁流体的制备工艺和技术难度，即优选p＝0.8进行计算分析。

所述第一匹配单元和第二匹配单元的周期数量均为7。具体的优化过程为：

匹配层B取氧化锌介质层，其折射率为n_B＝2；当磁性因子α_M＝0时，中间磁流体D层，确定其折射率为n_D＝2.175；B、D层物理厚度的关系为d_D＝2d_B；对于PT对称光子晶体微腔单元2中的增益损耗介质层，取宏观洛伦兹震荡强度α_PT＝1.5×10^-4。本发明选取中心波长λ₀＝1550nm，当工作光波波长为1550nm时，A⁺层和A^-层的折射率分别为1.2247+0.0003i和1.2247-0.0003i，满足实部相等，虚部奇对称，此时结构才严格满足PT对称条件。为了更好利用结构优良的光学特性，调整各介质层厚度为d_A+＝d_A-＝1065nm，d_B＝1017.7nm，使结构缺陷模位于1550nm波长处，且光子禁带关于中心波长呈对称分布，基于上述参数所得结构透射谱如图4(a)所示。从图4(a)可以看出，在1510nm到1590nm的波长范围内存在带宽约为80nm的光子禁带，并在禁带中心1550nm处产生一个窄带缺陷模式透射峰，其透射率达到1.43，这表明结构对缺陷模式下的入射光波具有放大效应。

由于结构对入射光波的放大效应是由PT对称光子晶体微腔单元2造成的，因此需要研究PT对称光子晶体微腔单元2中PT对称周期数N对结构整体放大效应的影响。选取周期N＝5、6、7、8，并依次计算结构的透射率，得到图4(b)所示结构的透射谱。由于周期数N对缺陷模式透射率的影响差异显著，因此计算时对透射率取对数变换，并用dB作单位，其转化关系为T(dB)＝10lgT。从图4(b)可以看出，在N＝5、6、7、8时，透射率分别为1.403dB、4.032dB、19.78dB和-2.04dB，由于结构满足PT对称条件，当N＝5、6、7时，缺陷模式透射率被放大，N＝7时，透射率最大，此时整体结构的耦合共振效应使外界泵浦能量被更多的转化为入射光的电磁能，而当N＝8时，由于光波在增益介质层的群速度大于在损耗介质层的群速度，使得光子与损耗介质作用的时间更长，结构对入射光波就产生了衰减作用，因此本申请选取N＝7作为最终优化结果。

所述PT对称光子晶体微腔单元2中损耗增益层的宏观洛伦兹震荡强度为1.7×10^-4。具体的优化过程为：

在普通基底材料中掺杂量子点，就可以实现对损耗介质层(A⁺层)和增益介质层(A^-层)的构建，当A⁺层和A^-层折射率满足实部呈偶对称，虚部呈奇对称时，整体结构就满足PT对称条件，它们的色散关系可以用洛伦兹模型定量描述为：

式中：ε₀＝1.5表示基底材料的介电常数，γ＝2.5×10¹⁴s^-1为阻尼系数；ω₀＝1.216×10¹⁵s^-1表示共振角频率，对应于中心波长λ₀＝1550nm；ω表示入射光角频率；α_PT表示宏观洛伦兹震荡强度，反映了系统增益、掺杂量子点浓度、激发态量子点分布之间的关系，不同的α_PT取值反映了介质对入射光增益或损耗程度，其值对结构的调制性能产生影响。

从上可以看出，α_PT的取值会对增益和损耗层的折射率虚部产生影响，计算研究表明，当α_PT的值从10^-3变化到10^-4时，在1550nm波长处，PT对称光子晶体微腔单元2中损耗介质层有效折射率从1.2247+0.002i变化到1.2247+0.0002i，增益介质层有效折射率从1.2247-0.002i变化到1.2247-0.0002i，此时禁带中缺陷模位置分别位于1549.9890nm和1549.9996nm处，移动了0.0106nm，其透射率分别为-14.19dB和7.96dB。因此α_PT数值变化基本不影响缺陷模位置，但对缺陷模透射率产生显著影响。下面保持结构其他参数不变，α_PT从1.5×10^-4以0.1×10^-4为间隔增大到1.9×10^-4，计算在不同α_PT取值时，PT对称光子晶体微腔单元2透射谱中的两个缺陷模式的模式一与模式二所对应不同波长处缺陷模的透射率，计算结果如图5所示。

从图5(a)可以看出，随着磁性因子α_M从0变化到0.35时，模式一位置从1550nm移动至1587nm处，同时结构对缺陷模透射率的放大效应逐渐减小。在模式一的整个波长移动区间内，缺陷模透射率都随α_PT的增大呈现出非单调变化，当α_PT＝1.7×10^-4时，结构对1550-1587nm波段上移动的模式一透射率都是最大的，最大增益接近25dB，平均增益也接近10dB。从图5(b)可以看出，当磁性因子α_M从0.35到0.7变化时，模式二缺陷模位置从1513nm移动至1550nm处，同时结构对缺陷模透射率放大效应逐渐增大。α_PT对模式二缺陷模透射率的影响与模式一类似，同样当α_PT＝1.7×10^-4时，PT对称结构对1513-1550nm波段上移动的模式二透射率最大，最大增益接近25dB，平均增益也接近15dB。表1给出了当α_PT＝1.7×10^-4时，不同磁性因子α_M下，模式一与模式二缺陷模位置和透射率。对于下面的研究，均选取α_PT＝1.7×10^-4进行计算分析。表1为α_PT＝1.7×10^-4时，不同α_M取值下模式一与模式二缺陷模位置和透射率，表1如下：

表1

为实现禁带中的单缺陷移动，本申请选择磁性因子α_M从0到0.7作为磁调制区间，研究α_M对结构缺陷模的调制规律。通过计算分析发现，α_M在所选定区间中心附近取值时，结构禁带左右带边同时出现与之对应的缺陷模式，为方便下面的研究，磁性因子α_M从0.2以0.05为间隔到0.5进行取值，研究PT对称结构的透射特性，得到了图6(a)所示不同α_M取值时结构透射谱。从图6(a)可知，α_M在0.2-0.5区间取值时，透射谱禁带左右带边附近出现两个透射峰，为方便描述，将右带边附近长波透射峰称为模式一，将左带边附近短波透射峰称为模式二。

随着磁性因子α_M的增大，模式一、二向长波方向移动，且模式一透射率逐渐减小，而模式二透射率逐渐增大，当α_M＝0.35时，左右带边处缺陷模透射率分别为1.078和1.096，接近相等，此时模式一与模式二分别位于带边1587nm和1513nm波长处。由于α_M＝0和α_M＝0.7时缺陷模式一和二分别位于禁带中心，而α_M＝0.35时两个缺陷模位于左右带边，因此将磁性因子区间分为0到0.35和0.35到0.7两个区间进行下一步分析。

图6(b)、图6(c)分别绘制了α_M以0.07为间隔，从0变化到0.35和α_M从0.35变化到0.7时结构的透射谱。从图6(b)可以看出，随着磁性因子α_M从0变化到0.35，模式一从1550nm红移到右带边1587nm，其透射率随着位置的红移而逐渐减小，同时，模式二一直处于短波带边附近，波长位置和透射情况变化不大，在磁因子的0-0.35变化区间，模式一为禁带中主模式。从图6(c)可以看出，随着α_M从0.35变化到0.7，模式二位置从左带边1513nm红移到禁带中心1550nm，其透射率随着波长位置的红移而逐渐增大，同时，模式一一直处于长波带边附近，波长位置和透射情况变化不大，此时模式二是禁带中的主模式。因此模式一与模式二随α_M从0到0.35和α_M从0.35到0.7变化，其缺陷模频移区间覆盖了将近整个禁带波段，在其中一个模式作为主调制模式时，另外一个模式处于带边位置，两种模式所对应的光波调制区间不发生重叠，这使得通过调节对应α_M值实现禁带内光波的动态调制成为可能。

根据图6(b)和图6(c)中缺陷模式随磁场因子的变化规律可知，对于禁带中特定波长的工作光波，可以通过外部磁场调整磁场因子取值，改变结构中磁流体缺陷层折射率，使得透射谱缺陷模式移动到相应波长处，这时，结构对于此波长下的光波信号就处于“导通”状态。如果此时通过外部磁场改变磁场因子取值，缺陷模将随之发生移动，那么之前缺陷模所对应的高透射区将变为禁带中的低透射区，结构就由之前的“导通”状态切换为“断开”状态，由此实现对特定入射光波的动态调制。例如，当入射光波长取1530nm时，对应模式二的移动区间，可以调整磁性因子α_M＝0.57，使得结构缺陷模波长移动至1530nm处；同理，对于波长为1570nm的入射光波，对应模式一的移动区间，调整磁性因子α_M＝0.19，使得结构缺陷模式一波长移动至1570nm处，这样对于波长为1530nm和1570nm的工作光波，结构就处于“导通”状态，这样入射光波长处由禁带低透射区进入缺陷模式对应的高透射区，从而实现结构对该波长入射光从“断开”状态到“导通”状态的切换。图6(d)分别给出了缺陷模一、二中心波长随磁性因子变化的关系。

消光比、调制灵敏度和插入损耗是衡量光调制器件的重要性能指标。由于PT对称结构对被调制光波产生放大效应，从而避免插入损耗的存在影响器件性能，本申请主要研究PT对称结构磁光调制器件的消光比和调制灵敏度等性能指标。

消光比(ExtinctionRatio，简称ER)被定义为器件处于“导通”和“断开”两种状态时的光强之比。在光通信方面，若结构消光比过低就会导致误码的产生，进而影响信息的准确性，消光比表达式为：

其中，P_on为结构处于“导通”状态时的光强，P_off为结构处于“断开”状态时的光强。

当α_M＝0和α_M＝0.7时，模式一与模式二对应的缺陷模都出现在1550nm处，此时对于工作波长为1550nm的入射光波而言，结构处于“导通”状态。为分析α_M数值的变化使缺陷模发生移动时，结构在1550nm处透射率的变化规律，图7(a)与图7(b)分别给出了α_PT取1.7×10^-4，磁性因子从0变化到0.1和从0.6变化到0.7时，结构在1550nm波长处的透射率。可以看出，当α_M在0和0.7处仅发生0.01的数值变化，1550nm波长处的透射率将会出现快速衰减，其衰减幅度超过40dB。

结构参数确定以后，“导通”状态下透射率保持不变，因此，α_M的数值变化使得结构在1550nm波长处的透射率快速衰减时，结构的消光比将出现快速上升。图8(a)与图8(b)分别给出了α_M在0到0.1和0.6到0.7区间内取值时，结构对1550nm光波的调制消光比随α_M的变化曲线。从图8可以看出，当α_M＝0.01和α_M＝0.69时，结构的消光比分别高达54dB和70dB。对于实际的光调制器件，当消光比大于15dB时，结构的消光比对性能的影响就非常小。图8所对应的虚线表示结构15dB消光比，可以看出，磁性因子仅发生10^-4数量级的变化，就可以满足结构对1550nm光波由“导通”到“断开”状态切换时消光比的要求。由于α_M＝0对应于无穷大的磁场强度，在实际的应用中难以实现，因此，对于波长为1550nm的入射光波，可以设置α_M＝0.7作为结构“导通”状态取值，根据实际应用对结构消光比的要求来设置相应α_M的值作为结构“断开”状态取值。

对于波长在1513nm到1550nm和1550nm到1587nm之间的入射光，当磁性因子α_M＝0.7时，由于缺陷模式位于1550nm波长处，故结构对于1550nm的工作波长处于“导通”状态，而该波段内其他波长处于“断开”状态。这时可以通过调节磁性因子α_M，使α_M在0到0.35和0.35到0.7两个区间内取值，实现结构由“断开”到“导通”的状态切换。图9给出了基于磁性因子对模式一与模式二缺陷模的调制规律，使结构由“断开”状态到“导通”状态切换时，结构的消光比随入射光波长的变化规律。从图9(a)可以看出，α_M从0变化到0.35，可以实现对禁带内波长在1550nm到1587nm之间的光波进行磁光调制，调制消光比总体上随入射光波长的增大而逐渐减小，其变化范围在25dB到60dB。从图9(b)可以看出，α_M从0.35变化到0.7，可以实现对禁带内波长在1513nm到1550nm之间的光波进行磁光调制，调制消光比总体上随入射光波长的增大而逐渐增大，其变化范围同样在25dB到60dB之间。这样的消光比对于光通信和光信息处理来说是足够大的。

调制灵敏度可以用来描述输出信号随磁性因子变化而变化的能力，其中信号波长与光强是输出信号的两个变化参数。结构对调制信号波长与透射率的调制灵敏度分别被定义为：

式中，S_λ和S_T分别表示波长与透射率调制灵敏度，Δα_M为磁性因子变化量，Δλ和ΔT分别为缺陷模位置变化量和透射率变化量。根据透射率调制灵敏度的定义，对于波长在1550nm处的入射光波，当调制消光比达到15dB时，结构的透射率调制灵敏度可以达到6×10⁴dB/unit。下面主要研究α_M的变化对模式一与模式二缺陷模位置与透射率的调制灵敏度；

图10给出了模式一与模式二中，缺陷模位置与透射率随磁性因子α_M从0到0.35和0.35到0.7的变化曲线，从图10可以看出，当磁性因子α_M从0变化到0.35时，如图10(a)和图10(b)所示，结构对缺陷模透射率和位置的平均调制灵敏度分别为74.51dB/unit和108.2nm/unit；当磁性因子α_M从0.35变化到0.7时，如图10(c)和图10(d)所示，结构对缺陷模透射率和位置的平均调制灵敏度分别为71.92dB/unit和102.9nm/unit。这表明对于波长在1550nm到1587nm和1513nm到1550nm之间的入射光波，缺陷模透射率和波长的平均调制灵敏度最大分别可以达到74.51dB/unit和108.2nm/unit。本申请所设计的调制器结构，波长调制区间可以覆盖从1513nm到1587nm波段，其波长调制灵敏度和透射率调制灵敏度也达到了较高水平，同时，由于结构对调制信号具有放大效应，与传统调制器结构相比，该结构具有较高的调制消光比。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。