專利名稱：基于光子晶體自準直的偏振分束器及其分束方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明提供了一種基于光子晶體自準直的偏振分束器及其分束方法，屬于光通訊、光 電子技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
光子晶體是一種人工制作的周期性結(jié)構(gòu)，可以是在介質(zhì)材料襯底如硅、二氧化硅、砷 化鎵等中制作二維周期性排列的空氣孔陣列，也可以是其他介質(zhì)材料構(gòu)成的二維周期排列 的介質(zhì)柱。二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個孔或柱子的中心連線構(gòu)成等媵直角三 角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。最短連線的長度為晶格常數(shù)。光子晶體自準直效應，是指在光子晶體中光束可以在不引入傳統(tǒng)光子晶體波導的情況 下，克服光束的衍射發(fā)散效應而顯示出幾乎完全準直的傳播特性。它源于光子晶體的獨特 的色散性質(zhì)，即等頻圖上在特定的頻率區(qū)間和很大張角范圍內(nèi)存在著非常平坦的等頻率 面。由于光能量的傳播總是垂直與等頻率面，因而這一頻率的電磁波在光子晶體里只能沿 著一個特定的方向傳播，具有很好的方向性，此時電磁波的頻率即自準直頻率。光子晶體偏振分束器憑借其高集成度的特點，及其在未來光通訊中廣泛的應用前景， 成為國內(nèi)外光電子研究領域的熱點之一。人們利用各種方法，力圖在提高偏振分束器的透 過率、消光比、工作帶寬以及集成度等關鍵技術(shù)上取得突破?，F(xiàn)有公開的光子晶體偏振分 束器有如下幾種1、 利用光子晶體正負折射的偏振分束器，對于入射電磁波的兩個偏振態(tài)， 一個在界 面上經(jīng)歷正折射，而另一個偏振態(tài)經(jīng)歷負折射，兩束透射光分別位于界面法線兩側(cè)，從而 實現(xiàn)偏振分束。但該分束器的透過率較低。2、 不同偏振態(tài)對應不同的缺陷模，用不同的缺陷模將兩個偏振態(tài)引向不同的路徑。3、 利用光子晶體對某一個偏振態(tài)的全反射，設計的偏振分束器，從而一個偏振態(tài)發(fā) 生全反射，而另一個偏振態(tài)發(fā)生透射，實現(xiàn)偏振分束，但該分束器的消光比較低。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光子晶體自準直的偏振分束器及其分束 方法，利用了光子晶體自準直效應，使得兩種偏振態(tài)在光子晶體中沿不同方向傳播，從而 實現(xiàn)偏振分束。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了下述的技術(shù)手段一種基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特點是，首先選定一光子晶體，含有兩個偏振態(tài)且頻率為所述光子晶體的自準直頻率的入射電磁波經(jīng)該光子晶體后，將會發(fā)生自準直效應，兩個偏振態(tài)將沿不同方向傳播，實現(xiàn)偏振分束。進一步地，所述入射電磁波通過入射波導引入，入射波導方向與電磁波入射方向一致。 所述出射電磁波通過出射波導引出，出射波導方向與電磁波出射方向一致。 所述的入射電磁波含有兩個偏振態(tài)， 一個偏振模因為發(fā)生自準直效應產(chǎn)生偏折，而另一個偏振模保持入射傳播方向不變。所述的入射電磁波含有兩個偏振態(tài)，兩個偏振模都發(fā)生自準直效應，但二者自準直傳播方向不同。所述的光子晶體在某個頻率范圍內(nèi)，兩個偏振態(tài)分別處在不同方向的導帶上，而且互 為禁帶；所述光子晶體的不同偏振態(tài)等頻圖的對稱軸方向不同。本發(fā)明還提供一種基于光子晶體自準直的偏振分束器，包括一光子晶體，其特征在于, 還包括一與入射電磁波入射方向 一致的入射波導；一與入射電磁波出射方向一致的出射波導。進一步地，所述的入射波導與光子晶體接觸端設有缺陷。所述的出射波導與光子晶體接觸端設有缺陷。本發(fā)明利用光子晶體自準直實現(xiàn)了偏振分束，具有高消光比、易于集成、工藝簡單等 優(yōu)點。


圖1是介質(zhì)材料中空氣孔陣列構(gòu)成的光子晶體自準直偏振分束器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是光子晶體能帶結(jié)構(gòu)示意圖，實線和虛線表示不同偏振態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)，0A、 0B表 示不同的波矢方向；圖3是光子晶體等頻面示意圖，實線和虛線表示不同偏振態(tài)的能帶結(jié)構(gòu)，0X、 OY表示 不同的波矢方向；圖4是硅襯底中正方晶格排列的空氣孔陣列構(gòu)成的光子晶體偏振分束器的能帶結(jié)構(gòu)， 實線代表TE偏振，虛線代表TM偏振，點劃線代表自準直頻率；TE偏振態(tài)指電場方向 垂直與入射平面；TM偏振態(tài)指磁場方向垂直于入射平面。圖5是硅襯底中正方晶格排列的空氣孔陣列構(gòu)成的光子晶體偏振分束器的TE偏振電 磁波等頻圖，粗實線表示自準直頻率所在位置；圖6是硅襯底中正方晶格排列的空氣孔陣列構(gòu)成的光子晶體偏振分束器的TM偏振電 磁波等頻圖，粗實線表示自準直頻率所在位置；圖7是硅襯底中正方晶格排列的空氣孔陣列構(gòu)成的光子晶體偏振分束器的TE偏振電 磁場數(shù)值模擬圖；圖8是硅襯底中正方晶l^夂列的空氣孔陣列構(gòu)成的光子晶體偏振分束器的TM偏振電 磁場數(shù)值模擬圖；圖l中1、介質(zhì)材料襯底，2、介質(zhì)材料柱子陣列，3、入射波導，4、出射波導，5、 提高耦合引入的缺陷，6、入射電磁波波束，7、出射電磁波波束，8、出射電磁波波束。
具體實施方式
如圖1所示，在介質(zhì)材料1中二維周期排列的空氣孔陣列，或其他介質(zhì)材料陣列2構(gòu) 成光子晶體。通過集成入射波導3、出射波導4制成基于光子晶體自準直的偏振分束器。所述二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個孔或柱子的中心連線構(gòu)成等腰直角三角 形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。所述的陣列形狀為正方形(如圖l)或三角形。所述的介質(zhì)材料襯底1為硅，二氧化硅，砷化鎵或磷化銦等。所述的入射波導3、出射波導4、提高耦合的缺陷5需與工作模式匹配，而且波導方向 要與波束傳播方向一致?；诠庾泳w自準直的偏振分束方法首先選定一光子晶體，含有兩個偏振態(tài)且頻 率為所述光子晶體的自準直頻率的入射電磁波經(jīng)該光子晶體后，將會發(fā)生自準直效應，兩 個偏振態(tài)將沿不同方向傳播，實現(xiàn)偏振分束。下面通過一個具體的實施例來說明本發(fā)明的偏振分束方法，如圖1所示，入射電磁波 波束6含有兩個偏振態(tài)，通過入射波導3引入正方格光子晶體2，其中一個偏振態(tài)的電磁 波波束發(fā)生自準直效應，傳播方向發(fā)生偏折，沿出射電磁波波束7方向傳播；而另一個偏 振態(tài)的電磁波波束沿出射電磁波波束8方向傳播，從而把兩個偏振態(tài)的電磁波波柬分開， 實線偏振分束。本發(fā)明涉及的光子晶體，其工作頻率范圍內(nèi)的能帶結(jié)構(gòu)具有圖2的特征，即兩個偏 振態(tài)分別處在不同方向的導帶上，而且互為禁帶；如圖2陰影部分為工作頻率范圍。對虛 線所示偏振態(tài)，在OA波矢方向處于導帶，而在OB波矢方向上處于禁帶；對實線所示偏振 態(tài)，在OA波矢方向上處于禁帶，而在OB波矢方向上處于導帶。本發(fā)明涉及的光子晶體，其工作頻率范圍內(nèi)的等頻圖具有圖3的特征，即，不同偏振態(tài)等頻圖的對稱軸方向不同。對虛線所示偏振態(tài)I，其等頻圖以0Y方向為對稱中心；對 實線所示偏振態(tài)II，其等頻圖以OX方向為對稱中心，OX方向于OY方向不同。比如，所述的光子晶體可以是硅襯底中的正方格排列的空氣孔陣列，晶格常數(shù)a= 330nm，空氣孔半徑r-0.35a，該光子晶體相應的能帶結(jié)構(gòu)圖如圖4,根據(jù)圖4的能帶圖 顯示，TE偏振態(tài)在rX方向上處于導帶，而在rM方向處于禁帶，所以TE偏振態(tài)只能在rx方向上傳播；tm偏振態(tài)在m方向上處于導帶，而在rx方向處于禁帶，所以tm偏振態(tài)只能在rM方向上傳播；根據(jù)圖5的TE偏振態(tài)等頻圖顯示，TE偏振模在f=0.22c/a 頻率下，其傳播方向沿rX方向；根據(jù)圖6的TM偏振態(tài)等頻圖顯示，TM偏振模在f=0.22c/a 頻率下，發(fā)生自準直效應，且其傳播方向沿rM方向；圖6中粗實線所示為該光子晶體在 頻率f=0.22c/a時的TM偏振等頻線，用有限時域差分方法模擬電磁場圖得到，TE電磁波 傳播圖如圖7，圖中顯示TE偏振態(tài)經(jīng)過偏振分束器后仍沿水平方向傳播；TM電磁波傳播 圖如圖8，圖中顯示TM偏振態(tài)經(jīng)過偏振分束器后傳播方向發(fā)生改變，沿與水平方向呈45 度(向上、向下)傳播。通過比較兩種偏振態(tài)的電磁場圖，可以看出不同偏振態(tài)是沿不同 方向傳播的，從而驗證偏振分束效果。
權(quán)利要求
1. 一種基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，首先選定一光子晶體，含有兩個偏振態(tài)且頻率為所述光子晶體的自準直頻率的入射電磁波經(jīng)該光子晶體后，將會發(fā)生自準直效應，兩個偏振態(tài)將沿不同方向傳播，實現(xiàn)偏振分束。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，所述 入射電磁波通過入射波導引入，入射波導方向與電磁波入射方向一致。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，所述 出射電磁波通過出射波導引出，出射波導方向與電磁波出射方向一致。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，所述 的入射電磁波含有兩個偏振態(tài)， 一個偏振模因為發(fā)生自準直效應產(chǎn)生偏折，而另一個偏振 模保持入射傳播方向不變。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，所述 的入射電磁波含有兩個偏振態(tài)，兩個偏振模都發(fā)生自準直效應，但二者自準直傳播方向不 同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，所述 的光子晶體在某個頻率范圍內(nèi)，兩個偏振態(tài)分別處在不同方向的導帶上，而且互為禁帶。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體自準直的偏振分束方法，其特征在于，所述 光子晶體的不同偏振態(tài)等頻圖的對稱軸方向不同。
8、 一種基于光子晶體自準直的偏振分束器，包括一光子晶體，其特征在于，還包括: 一與入射電磁波入射方向一致的入射波導； 一與入射電磁波出射方向一致的出射波導。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光子晶體自準直的偏振分束器，其特征在于，所述的 入射波導與光子晶體接觸端設有缺陷。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光子晶體自準直的偏振分束器，其特征在于，所述的 出射波導與光子晶體接觸端設有缺陷。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于光子晶體自準直的偏振分束器及其分束方法。其特征在于首先選定一光子晶體，含有兩個偏振態(tài)且頻率為所述光子晶體的自準直頻率的入射電磁波經(jīng)該光子晶體后，將會發(fā)生自準直效應，兩個偏振態(tài)將沿不同方向傳播，實現(xiàn)偏振分束。本發(fā)明利用光子晶體的自準直效應實現(xiàn)了偏振分光，具有高消光比、易于集成、工藝簡單等優(yōu)點，在光通訊、特別是光子集成等領域中應用廣泛。
文檔編號G02B27/10GK101231363SQ200710036890
公開日2008年7月30日 申請日期2007年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者周傳宏, 潔 張, 蔣尋涯, 趙德印 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所