光子晶体90°弯管与定向耦合器实现的超宽带光学二极管

"Ultra-wideband optical diode 设计利用了二维正方形光子晶体结构，通过结合方向耦合器和90°弯道实现了一种新型的光学二极管。该器件在一种方向上允许奇模完全透射并转换为基本偶模，而在相反方向上则完全反射，具有超过6.5%中心频率的宽操作带宽。" 光学二极管是光电子学中的关键组件，类似于电子电路中的电子二极管，它能控制光信号的单向流动。这种单向特性对于全光信号处理的发展至关重要。在光子晶体（Photonic Crystals，PCs）技术的推动下，可以实现光学器件的片上集成。光子晶体因其对光传播的控制方式类似于半导体中电子的运动，因此被广泛研究用于构建非互易的光波导，以实现单向光传播。 本提案提出的超宽带光学二极管采用了二维正方形光子晶体，并结合了90°弯道和方向耦合器。这两个组件共同作用，使得在某个方向上，奇模（Odd Mode）光能够完全透过并转化为基本偶模（Fundamental Even Mode），而在相反方向上则被完全反射。这种设计巧妙地打破了光的对称性，即时间反演对称性和空间对称性，使得光的传播具有单向性。 实现这一单向传播的方法多种多样，包括但不限于磁光效应、光学非线性、光声效应、间接的能带间光电导转换等。尽管这些设备已经实现了完整的光学隔离，但片上集成的挑战依然存在。为了在实际应用中提高性能和效率，通常需要优化光子晶体的结构参数，如晶格常数、缺陷层的排列以及材料的选择，以确保在宽频段内保持良好的非互易特性。 此外，超宽带的特性意味着这种光学二极管可以在更广泛的频率范围内工作，这对于光学通信、光计算和全光开关等应用来说尤其重要。这种器件可能在未来的光纤通信系统中发挥关键作用，实现高速、低延迟的数据传输，以及在全光网络中防止信号干扰和回波。 基于光子晶体的超宽带光学二极管是光学领域的一个创新设计，它利用非互易原理和结构设计实现了高效的光信号单向传输，有望推动全光信号处理技术的进步。