基于光子晶体自准直的偏振分束器及其分束方法技术

本发明专利技术提供了一种基于光子晶体自准直的偏振分束器及其分束方法。其特征在于：首先选定一光子晶体，含有两个偏振态且频率为所述光子晶体的自准直频率的入射电磁波经该光子晶体后，将会发生自准直效应，两个偏振态将沿不同方向传播，实现偏振分束。本发明专利技术利用光子晶体的自准直效应实现了偏振分光，具有高消光比、易于集成、工艺简单等优点，在光通讯、特别是光子集成等领域中应用广泛。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供了一种，属于光通讯、光 电子

技术介绍
光子晶体是一种人工制作的周期性结构，可以是在介质材料衬底如硅、二氧化硅、砷 化镓等中制作二维周期性排列的空气孔阵列，也可以是其他介质材料构成的二维周期排列 的介质柱。二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个孔或柱子的中心连线构成等媵直角三 角形的正方晶格，或构成等边三角形的三角晶格。最短连线的长度为晶格常数。光子晶体自准直效应，是指在光子晶体中光束可以在不引入传统光子晶体波导的情况 下，克服光束的衍射发散效应而显示出几乎完全准直的传播特性。它源于光子晶体的独特 的色散性质，即等频图上在特定的频率区间和很大张角范围内存在着非常平坦的等频率 面。由于光能量的传播总是垂直与等频率面，因而这一频率的电磁波在光子晶体里只能沿 着一个特定的方向传播，具有很好的方向性，此时电磁波的频率即自准直频率。光子晶体偏振分束器凭借其高集成度的特点，及其在未来光通讯中广泛的应用前景， 成为国内外光电子研究领域的热点之一。人们利用各种方法，力图在提高偏振分束器的透 过率、消光比、工作带宽以及集成度等关键技术上取得突破。现有公开的光子晶体偏振分 束器有如下几种1、 利用光子晶体正负折射的偏振分束器，对于入射电磁波的两个偏振态， 一个在界 面上经历正折射，而另一个偏振态经历负折射，两束透射光分别位于界面法线两側，从而 实现偏振分束。但该分束器的透过率较低。2、 不同偏振态对应不同的缺陷模，用不同的缺陷模将两个偏振态引向不同的路径。3、 利用光子晶体对某一个偏振态的全反射，设计的偏振分束器，从而一个偏振态发 生全反射，而另一个偏振态发生透射，实现偏振分束，但该分束器的消光比较低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于光子晶体自准直的偏振分束器及其分束 方法，利用了光子晶体自准直效应，使得两种偏振态在光子晶体中沿不同方向传播，从而 实现偏振分束。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了下述的技术手段一种基于光子晶体自准直的偏振分束方法，其特点是，首先选定一光子晶体，含有两个偏振态且頻率为所述光子晶体的自准直频率的入射电磁波经该光子晶体后，将会发生自准直效应，两个偏振态将沿不同方向传播，实现偏振分束。进一步地，所述入射电磁波通过入射波导引入，入射波导方向与电磁波入射方向一致。 所述出射电磁波通过出射波导引出，出射波导方向与电磁波出射方向一致。 所述的入射电磁波含有两个偏振态， 一个偏振模因为发生自准直效应产生偏折，而另一个偏振模保持入射传播方向不变。所述的入射电磁波含有两个偏振态，两个偏振模都发生自准直效应，但二者自准直传播方向不同。所述的光子晶体在某个频率范围内，两个偏振态分别处在不同方向的导带上，而且互 为禁带；所述光子晶体的不同偏振态等频图的对称轴方向不同。本专利技术还提供一种基于光子晶体自准直的偏振分束器，包括一光子晶体，其特征在于, 还包括一与入射电磁波入射方向 一致的入射波导；一与入射电磁波出射方向一致的出射波导。进一步地，所述的入射波导与光子晶体接触端设有缺陷。所述的出射波导与光子晶体接触端设有缺陷。本专利技术利用光子晶体自准直实现了偏振分束，具有高消光比、易于集成、工艺简单等 优点。附图说明图1是介质材料中空气孔阵列构成的光子晶体自准直偏振分束器结构示意图； 图2是光子晶体能带结构示意图，实线和虚线表示不同偏振态的能带结构，0A、 0B表 示不同的波矢方向；图3是光子晶体等频面示意图，实线和虚线表示不同偏振态的能带结构，0X、 OY表示 不同的波矢方向；图4是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的能带结构， 实线代表TE偏振，虚线代表TM偏振，点划线代表自准直频率；TE偏振态指电场方向 垂直与入射平面；TM偏振态指磁场方向垂直于入射平面。图5是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TE偏振电 磁波等频图，粗实线表示自准直频率所在位置；图6是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TM偏振电 磁波等频图，粗实线表示自准直频率所在位置；图7是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TE偏振电 磁场数值模拟图；图8是硅衬底中正方晶l^夂列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TM偏振电 磁场数值模拟图；图l中1、介质材料衬底，2、介质材料柱子阵列，3、入射波导，4、出射波导，5、 提高耦合引入的缺陷，6、入射电磁波波束，7、出射电磁波波束，8、出射电磁波波束。具体实施方式如图1所示，在介质材料1中二维周期排列的空气孔阵列，或其他介质材料阵列2构 成光子晶体。通过集成入射波导3、出射波导4制成基于光子晶体自准直的偏振分束器。所述二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个孔或柱子的中心连线构成等腰直角三角 形的正方晶格，或构成等边三角形的三角晶格。所述的阵列形状为正方形(如图l)或三角形。所述的介质材料衬底1为硅，二氧化硅，砷化镓或磷化铟等。所述的入射波导3、出射波导4、提高耦合的缺陷5需与工作模式匹配，而且波导方向 要与波束传播方向一致。基于光子晶体自准直的偏振分束方法首先选定一光子晶体，含有两个偏振态且频 率为所述光子晶体的自准直频率的入射电磁波经该光子晶体后，将会发生自准直效应，两 个偏振态将沿不同方向传播，实现偏振分束。下面通过一个具体的实施例来说明本专利技术的偏振分束方法，如图1所示，入射电磁波 波束6含有两个偏振态，通过入射波导3引入正方格光子晶体2，其中一个偏振态的电磁 波波束发生自准直效应，传播方向发生偏折，沿出射电磁波波束7方向传播；而另一个偏 振态的电磁波波束沿出射电磁波波束8方向传播，从而把两个偏振态的电磁波波柬分开， 实线偏振分束。本专利技术涉及的光子晶体，其工作频率范围内的能带结构具有图2的特征，即两个偏 振态分别处在不同方向的导带上，而且互为禁带；如图2阴影部分为工作频率范围。对虚 线所示偏振态，在OA波矢方向处于导带，而在OB波矢方向上处于禁带；对实线所示偏振 态，在OA波矢方向上处于禁带，而在OB波矢方向上处于导带。本专利技术涉及的光子晶体，其工作频率范围内的等频图具有图3的特征，即，不同偏振态等频图的对称轴方向不同。对虚线所示偏振态I，其等频图以0Y方向为对称中心；对 实线所示偏振态II，其等频图以OX方向为对称中心，OX方向于OY方向不同。比如，所述的光子晶体可以是硅衬底中的正方格排列的空气孔阵列，晶格常数a= 330nm，空气孔半径r-0.35a，该光子晶体相应的能带结构图如图4,根据图4的能带图 显示，TE偏振态在rX方向上处于导带，而在rM方向处于禁带，所以TE偏振态只能在rx方向上传播；tm偏振态在m方向上处于导带，而在rx方向处于禁带，所以tm偏振态只能在rM方向上传播；根据图5的TE偏振态等频图显示，TE偏振模在f=0.22c/a 频率下，其传播方向沿rX方向；根据图6的TM偏振态等频图显示，TM偏振模在f=0.22c/a 频率下，发生自准直效应，且其传播方向沿rM方向；图6中粗实线所示为该光子晶体在 频率f=0.22c/a时的TM偏振等频线，用有限时域差分方法模拟电磁场图得到，TE电磁波 传播图如图7，图中显示TE偏振态经过偏振分束器后仍沿水平方向传播；T本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子晶体自准直的偏振分束方法，其特征在于，首先选定一光子晶体，含有两个偏振态且频率为所述光子晶体的自准直频率的入射电磁波经该光子晶体后，将会发生自准直效应，两个偏振态将沿不同方向传播，实现偏振分束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋寻涯，张洁，周传宏，赵德印，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]