專利名稱：一種單模光子晶體偏振分束器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體光電子器件，特別涉及一種用于光子集成芯片的輸出單一偏 振并且單一橫模光信號的緊湊型單模光子晶體偏振分束器。
背景技術：
偏振分束器是光子集成芯片中一種重要的功能器件，它對于陀螺儀等其它需要 偏振控制的器件也是不可或缺的。傳統(tǒng)的偏振分束器通常利用馬赫曾德爾干涉儀來 實現(xiàn)，如文獻l:"在InGaAsP/InP材料上基于馬赫曾德爾干涉儀的偏振分束器，L. B. Soldano， A. H. de Vreede等，IEEE光子技術快報，第6巻，402 - 405頁，(1994)" 中公開的技術；或者利用非對稱Y型分岔器實現(xiàn)，如文獻2:"在鈮酸鋰材料上使用 鈦、鎳和氧化鎂擴散得到的橫電、橫磁模式分束器，P. WeiandW. Wang, IEEE光 子技術快報，第6巻，245-248頁，(1994)"中公開的技術；或利用多模干涉儀來實 現(xiàn)，如文獻3:"—種尺寸顯著減小的應用于偏振分束的多模干涉耦合器的設計和制 造，J. M. Hong等，IEEE光子技術快報，第15巻，72 - 74頁，(2003)"公開的技術。 上述傳統(tǒng)型偏振分束器一般要求器件長度達到毫米量級，這就大大限制了光子芯片 的集成度。采用光子晶體是提高光子芯片集成度的一個很有潛力的發(fā)展方向。光子晶體是 國際上近年來研究的新的熱點方向，它是一種介電常數(shù)周期性分布的天然或人工材 料。根據(jù)介電常數(shù)在空間周期分布的維度不同，光子晶體可分為一維、二維和三維 光子晶體。二維光子晶體由于相對容易制作，并且足以表現(xiàn)光子晶體的大多數(shù)特性， 受到人們的廣泛關注。常見的這一類結構例如在高介電常數(shù)的薄板材料上制作出周 期排列的空氣孔，或在孔內(nèi)填充低介電常數(shù)的材料，如氧化硅，得到孔型二維光子 晶體薄板。滿足薄板導波條件的光波在水平方向受二維光子晶體結構調(diào)制。光子晶 體的一個重要特性是存在光子禁帶。頻率落在光子禁帶中的光不能在光子晶體中傳 播。但是如果在光子晶體中引入缺陷，就會在光子禁帶中引入缺陷模式，從而可以 對光子進行控制。例如引入點缺陷，可以實現(xiàn)諧振微腔，而引入線缺陷，就可以實
現(xiàn)光子晶體波導。基于一種二維光子晶體與傳統(tǒng)波導的混合結構的偏振分束器已經(jīng)被提出，如文 獻4:"一種利用光子晶體和傳統(tǒng)波導混合結構的緊湊型高效率偏振分束器，S.Kim 等，光學快報,第28巻,第2384-2386頁，(2003)"介紹的技術。在這種結構中，光 在傳統(tǒng)波導中傳播，而光子晶體的四方晶格介質(zhì)柱作為光柵來透射或反射兩種不同 的偏振光。盡管該分束器結構本身已經(jīng)尺寸較小，但是由于采用傳統(tǒng)波導不易于光 子芯片集成。最近提出的一種全部基于光子晶體定向耦合器的偏振分束器具有尺寸 小并且與其他光子晶體器件易于集成的優(yōu)點，因此在光子集成中更加具有吸引力， 如文獻9:"一種基于光子晶體的緊湊型偏振分束器，TaoLiu等，IEEE光子技術快 報,第17巻,1435-1437頁，(2005)"中公開的技術。但是，單模傳輸條件作為波導 中一項重要的性能指標，在文獻9中并沒有被考慮到，并且現(xiàn)有技術中的的有關偏 振分束器都不能單模傳輸。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是克服已有偏振分束器尺寸長或有些偏振分束器雖然 尺寸短但不能滿足單模傳輸條件的缺點，提供一種對分束后的不同偏振的信號光均 實現(xiàn)單模輸出的緊湊型單模光子晶體偏振分束器。為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下一種單模光子晶體偏振分束器，包括一二維光子晶體，在該光子晶體上的平行 相鄰的第一線缺陷光子晶體波導和第二線缺陷光子晶體波導形成的定向耦合器結 構。在上述技術方案中，所述第一線缺陷光子晶體波導的長度大于所述第二線缺陷 光子晶體波導。在上述技術方案中，所述第一線缺陷光子晶體波導的一端有一輸入端口，另一 端有一第一輸出端口，所述第二線缺陷光子晶體波導在靠近所述第一輸出端口的一 端有第二輸出端口；同頻率不同偏振態(tài)的信號光源通過脊波導耦合到分束器的輸入端口A,橫電(TE)偏振態(tài)的光信號通過第一輸出端口 B輸出，而橫磁(TM)偏振態(tài)的 光信號通過相鄰的第二輸出端口 C輸出，實現(xiàn)不同偏振態(tài)的光信號的分離。 在上述技術方案中，所述光子晶體的晶格排列為三角晶格排列。 在上述技術方案中，所述第一線缺陷光子晶體波導和所述第二線缺陷光子晶體波導具有按第一周期的三角晶格排列的圓形孔；所述第一線缺陷光子晶體波導和所 述第二線缺陷光子晶體波導之間的孔為橢圓形，該橢圓形孔的半長軸所在方向是沿 著所述波導的方向。在上述技術方案中，所述橢圓形孔的面積小于光子晶體圓形孔的面積。 在上述設計方案中，所述光子晶體是在半導體芯片上形成，所述半導體芯片的材料為InP/InGaAsP材料、GaAs/AlGaAs材料或GaN/AlGaN材料。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)越性在于-1) 易于與光子晶體器件集成本發(fā)明中器件結構是以光子晶體定向耦合器為基 礎的，易于與光子晶體激光器、波導、濾波器等器件集成；2) 尺寸極短本發(fā)明能夠使得兩種不同偏振光在25. 2微米距離之內(nèi)發(fā)生分離。3) 單模輸出本發(fā)明通過對光子晶體定向耦合器結構的形狀、大小進行優(yōu)化設 計，使分束后不同偏振的光信號都具有單一橫模傳輸特性，消除了模式色散。


圖1表示實施例1緊湊型單模光子晶體偏振分束器的結構示意圖；圖2表示本發(fā)明中對于該分束器設計結構的橫電偏振模式的光子能帶；其中縱 軸是規(guī)一化頻率aA-coa/27tc， a是晶格常數(shù)，即相鄰兩小孔中心的距離，X是介質(zhì) 中光波的波長，o是介質(zhì)中光波的角頻率，c是真空中的光速；橫軸是規(guī)一化的沿波導方向的波矢kz3/2TI。圖3表示橫電偏振模式的光信號通過端口 B輸出的透射譜；圖4表示橫磁偏振模式的光信號通過端口 C輸出的透射譜；圖5(a)表示在工作頻率點的橫電偏振模式的光信號的傳播和輸出； 圖5(b)表示在工作頻率點的橫磁偏振模式的光信號的傳播和輸出
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述-本發(fā)明中，對于橫磁偏振模式，由于在三角晶格中其導波機制是折射率導引， 類似傳統(tǒng)的光波導，因此其導波模式為單一基橫模；而對于橫電偏振模式，其導波 機制是帶隙導引，通過改變并優(yōu)化了定向耦合器中兩相鄰波導之間的空氣孔的大小 和形狀，改變了橫電模式的光子能帶，使得其工作頻率點即解耦合頻率點；實現(xiàn)縮 短尺寸和單模輸出的功能。實施例1參照附圖l，數(shù)字l表示本發(fā)明的一個偏振分束器結構，它包括兩個沿r K方向相鄰的W1線缺陷波導。介質(zhì)板選取介電常數(shù)為^的半導體材料，具體參數(shù)在后 面介紹。數(shù)字2表示周期排列的圓形孔，半徑為r-0.36a， a為三角晶格的周期， 圓形孔的介電常數(shù)為e2，并且e2<e，。通?！?可取為1，即空氣孔。三角晶格的 周期為a，它表示相鄰圓形孔中心的距離。耦合器的長度設計為晶格周期的n倍(n 為大于1的整數(shù))，等于橫磁模在耦合波導中傳播的半拍長。數(shù)字3表示兩耦合波導 之間的設計為橢圓形的空氣孔，橢圓的半長軸和半短軸分別為0.39a和0.21a,這 種特定的橢圓形狀是為了使橫電偏振光在解耦合頻率點滿足單模傳播條件。而橢圓 孔的面積略小于光子晶體圓孔的面積,這樣設計是為了增強TM模在兩波導之間的耦合，縮減拍長，從而縮減器件尺寸。當相同工作頻率的橫電和橫磁偏振光從端口 A 入射，處在解耦合頻率點的TE模無法耦合到下波導，只能沿上波導傳播，從端口B 直接輸出，而TM模傳播過半個"拍"的長度耦合入下波導，從端口C輸出。從而實 現(xiàn)偏振分離。由于本發(fā)明光子晶體偏振分束器的特殊的設計結構，使得輸出的橫電 偏振態(tài)和橫磁偏振態(tài)的光信號都只有單一橫模。 選取各個參數(shù)如下介質(zhì)板材料為Ga(Al)As，介電常數(shù)^ = 3.32，光子晶體孔選為空氣孔，e2=l; 晶格周期a二0.449ym;耦合器的長度L為晶格周期的56倍，L=25.2iim。根據(jù)以上參數(shù)，利用平面波展開方法計算得到橫電偏振模的光子能帶，見圖2。 圖中縱軸aA二(oa/27ic是規(guī)一化頻率(無量綱)，a是晶格常數(shù)，即相鄰兩小孔中心 的距離，^是介質(zhì)中光波的波長，co是介質(zhì)中光波的角頻率，c是真空中的光速；橫 軸kz3/2TI表示規(guī)一化的沿波導方向的波矢(無量綱)。圖中虛線表示橫電偏振模的 解耦合點，即單模工作點。需要說明的是，對于橫磁偏振模，由于在三角晶格中其 導波機制是折射率導引，類似傳統(tǒng)的光波導，其導波模式為單一基橫模。因此無需 利用能帶圖進行說明。橫電偏振模的透射譜見圖3，其中實線表示端口 B的透射譜，點劃線表示端口 C 的透射譜。橫磁偏振模的透射譜見圖4,其中實線表示端口B的透射譜，點劃線表 示端口C的透射譜。由圖可見，對應常用通信波長1.55um處，橫電偏振光信號幾 乎完全從端口B輸出，而端口C輸出幾乎為零，而橫磁偏振光信號有約85%從端口 C輸出，端口B輸出幾乎為零。偏振分束效果明顯。需要說明的是，橫磁偏振光信 號有25%的傳播損耗，原因是它的導波機制僅僅是折射率導引。但是這并不影響偏 振分束的功能實現(xiàn)。為了更加形象的說明偏振分束的效果，利用時域有限差分方法模擬了工作波長 為1.55um的光信號在分束器中的光場分布，如圖5所示。其中圖5(a)表示橫電偏 振光信號從端口 B輸出，而圖5(b)表示橫磁偏振光信號從端口 C輸出。實施例2:本實施例中，以工作點在另一常用的通信波長1.3nm為例，只需將晶格周期a 設計為0. 377 u m，而其它參數(shù)同實施例1保持不變即可，其結果與實施例1類似， 可參見實施例1的結果。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制。盡管 參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明 的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均 應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1、一種單模光子晶體偏振分束器，包括一二維光子晶體，其特征在于，在所述光子晶體上的平行相鄰的第一線缺陷光子晶體波導和第二線缺陷光子晶體波導形成的定向耦合器結構。
2、 根據(jù)權利要求1所述單模光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述第一線缺 陷光子晶體波導的長度大于所述第二線缺陷光子晶體波導。
3、 根據(jù)權利要求1所述單模光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述第一線缺 陷光子晶體波導的一端有輸入端口，另一端有第一輸出端口，所述第二線缺陷光子 晶體波導在靠近所述第一輸出端口的一端有第二輸出端口 。
4、 根據(jù)權利要求1所述單模光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述光子晶體 的晶格排列為三角晶格排列。
5、 根據(jù)權利要求1所述單模光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述第一線缺 陷光子晶體波導和所述第二線缺陷光子晶體波導具有按第一周期的三角晶格排列的 圓形孔，所述第一線缺陷光子晶體波導和所述第二線缺陷光子晶體波導之間的孔為 橢圓形，該橢圓形孔的半長軸所在方向是沿著所述波導的方向。
6、 根據(jù)權利要求5所述單模光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述橢圓形孔 的面積小于光子晶體圓形孔的面積。
7、 根據(jù)權利要求1所述單模光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述光子晶體 是在半導體芯片上形成，所述半導體芯片的材料為InP/InGaAsP材料、GaAs/AlGaAs 材料或GaN/AlGaN材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單模光子晶體偏振分束器，包括一二維光子晶體，在所述光子晶體上的平行相鄰的第一線缺陷光子晶體波導和第二線缺陷光子晶體波導形成的定向耦合器結構，所述第一線缺陷光子晶體波導的長度大于所述第二線缺陷光子晶體波導，所述第一線缺陷光子晶體波導和所述第二線缺陷光子晶體波導具有按第一周期的三角晶格排列的圓形孔，所述第一線缺陷光子晶體波導和所述第二線缺陷光子晶體波導之間的孔為橢圓形，該橢圓形孔的半長軸所在方向是沿著所述波導的方向。本發(fā)明易于與光子晶體器件集成、尺寸短、單模輸出。
文檔編號G02B6/122GK101162279SQ200610113750
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月13日 優(yōu)先權日2006年10月13日
發(fā)明者剛 任, 杜曉宇, 科 王, 邢名欣, 鄭婉華, 陳良惠 申請人:中國科學院半導體研究所