基于电磁诱导透明耦合共振的无源多端口环形器

受到集成光子学和硅光子学研究需求增大的影响，片上集成系统中的光隔离器引起了人们的极大兴趣。最近的研究工作探索了非互易光隔离器，并证明了当波向前或向后传输时的非互易传输对比。环形器属于隔离器的一种非互易器件，然而，这种环形器能否在特定条件下提供指定环形方向传输仍然是一个问题。本文分析了基于类电磁诱导透明原理的光环形器的动态非互易性。结果表明，当能量传输时，这种环形器可以实现非单一频率下的信号隔离与特定方向传输。

近来，有很多学者探究了光隔离器的构造[1]。为了证明这些隔离器的非互易性，通常在特定的功率范围内发射向前或向后的输入波，以证明系统的正向高传输和反向低传输。建立非互易器件需要一个机制来打破洛伦兹对称互易性[2]。大多数非互易器件如光隔离器和环行器都是基于磁光法拉第效应，其系统需要(电)磁铁的集成[3]。实现光学非互易的方法包括人工设计的波导[4]、构建光力学系统[5]、谐振器系统中的宇称时间对称性破缺[6]和布里渊散射[7]。其他系统包括基于微谐振器系统的空间非对称“光二极管”[8]。该器件基于非对称热共振频移现象进行工作，但缺点是在正向传输光的光谱附近会发生动态反向传输[9]。

环形器相较于隔离器而言具有多个端口，且能够同时工作进行处理信号的传输。在特定条件下输入能量，以能够只在指定的方向上循环传输。目前，在很多领域已经实现环形器器件的研究，例如角动量偏置原理[10]、铁磁材料[11]、克尔效应[12]、光力学系统[13] [14]、范诺谐振器[15]、超导光机械电路[16]等。

本文设计了基于特异材料的非互易器件， 应用电磁诱导透明原理， 可以实现电磁波信号的单向传输， 并且能实现电路中上下级之间的隔离。在小型化无线通信系统中，该超宽带方型环形器工作在0.2 GHz~ 1.2 GHz 的毫米波频段处， 实现了非单一频率工作的非互易隔离器。

这项工作为非互易传输提供了一个巧妙的设计方案，而且为后续研究工作提供了新的思路，结构简单且实用可广泛应用于光子集成领域。

2. 类电磁诱导透明结构 构建了如图1 所示的特异材料结构， 结构由完全对称的四个电路组成， 由四个相同的环路依次连接， 每个部分是通过微带线传输电磁波，系统结构是分别由亮态(梳状线结构)和暗态(开口谐振环结构)组成。

结构是由介电常数为2.2 的介质基板上正面加载厚度为0.787 mm 的金属铜以及背面覆相同厚度的铜组成。

结构中外侧微带线s = 90 mm，内侧微带线t = 7 mm，线宽均为2.4 mm。亮态谐振器是长l = 71.5 mm， 线宽为1.1 mm， 其中微带线与平行的微带线距离r1 = 3.9 mm 的梳状线结构。

暗态谐振器即开口谐振环为16 mm × 5 mm 的长方形，线宽为0.8 mm，开口长度为0.8 mm，开口处加载电容2.33 pf，与梳状线结构距离r2 = 0.3 mm，以便于能量耦合， 其中暗态结构与微带线距离较远d = 15 mm，是为了使能量不能够通过微带线进行耦合。在波导结构系统中，微带线与梳状线结构进行耦合是二能级对应的经典系统，再加载一个只与梳状线结构进行近场耦合的开口谐振环结构后，便构成三能级Λ 型系统。在这个结构中，因