CN100437211C - 二维光子晶体宽带波片及其设计方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种二维光子晶体宽带波片，其结构为二维光子晶体薄片，薄片厚度为光子晶体晶格常数的4倍以上，宽度根据使用的具体要求而定，一般为入射光光斑直径的1.1倍以上；在相当宽的波段内(此波段在二维光子晶体禁带内)，当入射光为该波段内的任一波长时，横电和横磁两个偏振反射光的反射相移之差为π、π/2或3π/2；一种二维光子晶体宽带波片的设计方法，主要是选择适当的二维光子晶体材料；调节二维光子晶体材料的相关参数，使得频率处于二维光子晶体禁带内的横电和横磁两个偏振反射光的反射相移之差为π、π/2或3π/2；本发明可应用于波分复用光通信技术及可调谐激光器技术，具有选材方便，易于集成，厚度薄，可扩展到各个波段的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器和光通讯技术领域，具体涉及一种二维光子晶体宽带波片及其设计方法与应用。
背景技术
光子晶体(PCs)材料的研究已成为国际重要前沿研究，其中二维(2-D)光子晶体与电子集成的制作方法相近，不但可沿用电子集成的制作方法，而且相对容易实现光电集成，所以二维光子晶体能较早地投入应用，这使它们的进展受到广泛关注。近年来，基于二维光子晶体材料的器件研究是一个重要热点。在二维光子晶体器件的研究中，多数依据的机制是：(1)光子晶体反射带的偏振特性为基础的偏振相关的器件，如偏振片等；(2)光子晶体杂质(微腔)相关的器件；或同时利用以上两种机制的器件。另外，还有一种非常重要但研究相对较少的重要光子晶体性质是：光子晶体带隙的相位性质。本发明就是基于光子晶体带隙的相位性质的深入研究而设计了新的器件结构。
另一方面，波片是光路中的一种重要元件，几乎所有的光路或者光学仪器中都用到波片。由于传统波片是采用光学各向异性的晶体材料(如：方解石、石英等)制作而成，采用目前的半导体集成工艺，波片很难被集成在光电子集成块中。同时，在传统的波片技术中，通常单个波片只对应单一波长；然而，光学宽带和密集波分复用是未来的发展趋势。这意味着，如果波片仍然是单波长工作的，在未来的光学集成中光路中，将需要许多的波片(比如未来的密集波分复用系统)，这将使得光电集成光路变得很复杂和集成块很大。众所周知，光电子集成将最终取代单元器件光路，如果宽带波片被采用，集成光路将变得更加紧凑。因而，人们一直亟待能用于光电子集成的宽带波片出现。本发明在国际上首次解决了这一问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，研制提供一种利用光子晶体带隙的相位性质的与半导体微加工工艺兼容的并且具有较宽的工作频率范围的二维光子晶体宽带波片。
本发明的另一目的在于提供一种设计上述二维光子晶体宽带波片的方法。
本发明的再一目的在于提供一种上述二维光子晶体宽带波片的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种二维光子晶体宽带波片，其特征在于：其结构为二维光子晶体薄片，薄片厚度为光子晶体晶格常数的4倍以上，宽度根据使用的具体要求而定，一般为入射光光斑直径的1.1倍以上；该波片的工作波段处在光子晶体禁带内，当入射光为该波段内的任一波长时，横电(TE)偏振和横磁(TM)偏振两个偏振反射光的反射相移之差为π、π/2或3π/2。
所述薄片厚度为光子晶体的晶格常数的4倍以上，优选4～20个周期；在光学波段厚度优选为2～10微米，光通讯1.55微米波段厚度优选为6～30微米。
所述二维光子晶体是在二维平面内物质折射率周期分布，在与此平面垂直的维度上折射率不变的人工材料。
本二维光子晶体宽带波片的工作频率在光子晶体的反射带内，光子晶体的反射带可设计于各波段，即本二维光子晶体宽带波片可以工作在各波段，包括微波、光学波段和紫外波段，尤其是光通信波段。
使用这种波片时，让频率落入光子晶体反射带的入射光从均匀介质(如空气)以一定角度入射到这种波片，反射光的偏振状态可以发生所需的变化，如变成线偏振或椭圆偏振。这种偏振状态的变化可由调节二维光子晶体材料的各种参数，包括介质折射率、介质柱的大小和构成的形状来实现。
本二维光子晶体宽带波片的材料可优选光电集成的基本材料，如半导体材料，尤其高折射率半导体Ge、Si、InP、GaAs等；也可以是有机材料、非晶体材料或金属与介质复合材料。
一种设计上述二维光子晶体宽带波片的方法，其特征在于：(1)选择适当的二维光子晶体材料；(2)调节二维光子晶体材料的相关参数，包括介质折射率、介质柱的大小和构成的形状，使得频率处于二维光子晶体禁带内的TE和TM两个偏振反射光的反射相移之差为π、π/2或3π/2。
所述步骤(1)具体可为：选择适当的二维光子晶体材料，使得所选择的二维光子晶体材料的晶型在此宽带波片的工作条件(包括所需的工作波段和入射角)下两个偏振(TE和TM)的光都能高反射。这种光子晶体可以通过在一块高折射率介质板上面周期性地去掉一些部分而获得。例如：可以采用在硅板上刻蚀的周期性的方柱或十字型柱等图样。经过此步设计的样品可以认为是有限周期的的二维光子晶体，其周期数可以根据实际情况而定，而波片的厚度为周期数与晶格常数的乘积；在综合考虑反射率和制作成本的基础上，周期数目一般可以取4～20。
所述步骤(2)具体可为：通过调节和改变二维光子晶体材料中微柱单元的形状和尺寸和折射率参数，使优化后两个偏振的反射相移差为所要求的值，获得所需的宽带波片。当改变高折射率材料的形状和尺寸时(例如：改变周期性方柱的边长)，两个偏振的反射带中心会发生相对移动，这将使得两种偏振的反射光相移差逐渐变化。对于半波片，我们需要调节使得两种反射光的相移差为π；对于1/4波片，我们需要调节使得两种反射光的相移差为π/2或3π/2。通过对反射带内反射相移的研究，我们发现在反射带内反射相移随频率的变化总是平缓的，这将保证我们按如上方法设计的波片都是宽频率带的。
本二维光子晶体宽带波片可以用目前成熟的半导体微加工工艺制作而成：先按照已设计的光子晶体参数，利用半导体微加工的电子束刻蚀或聚焦反应离子束刻蚀技术得到所设计的宽带波片。
本发明可应用于波分复用光通信的光电集成技术中。波分复用是光通信中的关键技术；目前，波分复用光通信的每一光路中都包含许多个单波长波片，整个系统就包含许多不同波长的波片。波分复用光通信目前正往集成化方向发展，但波分复用整个系统集成器件中包含许多不同波长的波片成了集成工作过去解决不了的难题，目前人们尝试的复杂方法使器件非常复杂和非常高价。这大大影响波分复用光通信等各种器件往光电集成化方向的发展。如果采用本发明的二维光子晶体宽带波片，对于各个波长只需一个波片，这可以使光路大大地简化，使光电集成容易实现小型化和低损耗。而且它所用的材料可以和光电集成原用的基本材料相同，实现材料的最佳匹配。
本发明的还可应用于含可调谐激光器的集成光路中。可调谐激光器是激光发展的一个重要方向，可调谐激光器在军事上和民用上都有极广泛的用途。在这些应用光路中，由于光路往往离不开波片，而现有波片，尤其能集成的波片是对应单波长的，所以人们一直盼望有既能宽带应用又有利集成的波片诞生，本发明就满足了可调谐激光器的应用光路(尤其集成光路)的急需，因一个波片就能满足可调谐激光器整个调谐范围的需求。
本发明的物理原理是基于我们发现二维光子晶体高反射带的相位新现象、新性质和新规律而设计的；新现象、新性质和新规律包括：(1)在光子晶体反射带内，反射相位变化平缓，在反射带外相位变化较剧烈。在光子晶体的第一反射带内的一个带边到另一个带边，TE偏振(电场分量平行于二维平面X-Z)反射相位从0变化到π，TM偏振(电场分量垂直于二维平面X-Z)反射相位从-π变化到0。在高频率反射带，带边的反射相位逐渐偏移0或±π。频率越高，偏移越大。(2)在相当宽的带宽内，TE偏振和TM偏振的反射相位不但随频率变化平缓，且TE偏振和TM偏振的反射相位间保持某恒定值，运用这一新性质，可设计出用于光电子集成的二维光子晶体宽带的半波片和1/4波片。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果：
(1)选材方便，易于集成。与传统的波片采用各向异性晶体实现相位延迟的方法不同，我们通过结构实现对光的各向异性，而对材料本身并不限制，二维光子晶体宽带波片的材料可用各种材料，只要在波片工作波段透明就行。通常为方便，材料可选光电集成的基本材料，如半导体材料，尤其高折射率半导体，Ge、Si、InP、GaAs等等，也可是有机材料、非晶体或金属与介质复合材料，只要这种材料方便制作就可选用。我们的方法将为制造各种可用于光电子集成的宽带的相位延迟器提供灵活的选择。
(2)厚度薄。我们发明的宽带波片厚度通常由所选的光子晶体的周期数和晶格常数决定，而晶格常数与波长具有相同的数量级。例如在红外通讯波段，我们设计的宽带波片的厚度为10～40微米，而传统的波片厚度一般为毫米量级。
(3)可扩展到各个波段。根据光子晶体的标度不变性和我们如前所述的设计方法，不仅可以设计出可见和红外波段的宽带波片，在选取合适的材料后，还可以设计出微波和紫外区的宽带波片。其中光子晶体的标度不变性是指当材料折射率色散较小时，将光子晶体的尺寸增大或缩小，相同的电磁学性质可以出现在长波或短波区。
附图说明
图1为设计宽带半波片所调节到的正方网络型光子晶体的反射位相与频率关系图；其中(a)为反射率；(b)为反射相位；实线表示TM偏振，虚线表示TE偏振，点划线表示ΔФ＝ФTE-ФTM；插图为光子晶体的X-Z平面图样；L＝8a，dx＝0.05a，dz＝0.14a，a为晶格常数。
图2为设计宽带1/4波片所调节到的正方复合网络型光子晶体的反射位相与频率关系图；其中(a)为反射率；(b)为反射相位；实线表示偏振，虚线表示TE偏振，点划线表示ΔΦ＝ΦTE-ФTM；插图为光子晶体的X-Z平面图样；L＝8a，dx＝dz＝0.06a，d＝0.42a，a为周期常数。
图3为设计宽带半波片所调节到的正方复合网络型光子晶体的反射位相与频率关系图；其中(a)为反射率；(b)为反射相位；实线表示TM偏振，虚线表示TE偏振，点划线表示ΔΦ＝ФTE-ФTM；插图为光子晶体的X-Z平面图样；L＝8a，dx＝0.05a，dz＝0.15a，d＝0.40a，a为周期常数。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例提供的宽带半波片的反射位相与频率关系如图1所示，在图1中晶体的晶格常数设为a，周期为8，dx＝0.05a，dz＝0.14a。图1(a)中插图所示为二维光子晶体的X-Z平面图样，其Y方向是不变的，白色表示空气，黑色表示半导体(此例中的半导体以砷化镓为计算例子)。空气折射率n0＝1.0，砷化镓的折射率n＝3.3764，厚度为L＝8a。θ是光的入射角，为了便于应用，我们选θ为45°。计算得此二维光子晶体的带隙为图1(a)所示。TE偏振和TM偏振的反射相位如图1(b)所示，从图1(b)很清晰看出：(1)TM偏振相位ΦTM(实线)和TE偏振相位ФTE(虚线)随频率变化很平缓，(2)在很宽波段内(阴影所示)TE偏振和TM偏振的反射相位间保持恒为π，即ΔФ＝ΦTE-ΦTM＝π。图1中TE偏振和TM偏振的反射相位间保持恒为π是我们调节参数获得的。阴影区域的反射率大于99.9％，相对于中心频率的带宽为Δω/ω≈14.3％，在阴影区域光子晶体即为一个半波片。这种波片可以用于光通讯波分复用1.55微米波段，作为宽带半波片使用。
实施例2
本实施例提供的宽带1/4波片的反射位相与频率关系如图2所示，宽带1/4波片的二维光子晶体的X-Z平面图样见图2(a)中的插图；材料选用硅，硅的折射率n＝3.4，空气折射率n0＝1.0，光的入射角θ为45°，厚度为L＝8a。dx＝dz＝0.06a，硅正方形的边长d＝0.42a。其结果见图2，阴影区域的反射率大于99.9％，相对于中心频率的带宽为Δω/ω≈6.6％，在此区域内的反射相位差ΔΦ＝ΦTE-ΦTM＝3π/2。在阴影区域光子晶体即为一个1/4波片。这种波片可以用于光通讯波分复用1.55微米波段，作为宽带1/4波片使用。
实施例3
本实施例提供的宽带1/2波片的反射位相与频率关系如图3所示，光子晶体的X-Z平面图样见图3(a)中的插图。材料依然选用硅，硅的折射率n＝3.4，空气折射率n0＝1.0，光的入射角θ为45°，厚度为L＝8a。dx＝0.05a，dz＝0.15a，硅正方形的边长d＝0.40a。其结果见图3，阴影区域的反射率大于99.9％，相对于中心频率的带宽为Δω/ω≈13.7％，在此区域内的反射相位差ΔΦ＝ΦTE-ΦTM＝π。在阴影区域光子晶体即为一个半波片。这种波片可以用于可调谐激光器，作为宽带半波片使用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1、一种二维光子晶体宽带波片，其特征在于：其结构为二维光子晶体薄片，薄片厚度为光子晶体晶格常数的4倍以上，宽度为入射光光斑直径的1.1倍以上；工作波段在光子晶体反射带内，当入射光为该波段内的任一波长时，光的横电偏振和光的横磁偏振两个偏振反射光的反射相移之差为π、π/2或3π/2。
2、根据权利要求1所述的二维光子晶体宽带波片，其特征在于：工作于微波、光学波段和紫外波段。
3、根据权利要求1～2任一项所述的二维光子晶体宽带波片，其特征在于：制作二维光子晶体所用的材料为半导体材料、有机材料、非晶体材料或金属与介质复合材料。
4、一种设计上述权利要求1～3任一项所述二维光子晶体宽带波片的方法，其特征在于：(1)选择适当的二维光子晶体材料；(2)调节二维光子晶体材料的相关参数，包括介质折射率、介质柱的大小和构成的形状，使得频率处于二维光子晶体禁带内的横电和横磁两个偏振反射光的反射相移之差为π、π/2或3π/2。
5、根据权利要求4所述的设计二维光子晶体宽带波片的方法，其特征在于：所述步骤(1)具体是选择二维光子晶体材料，使得所选择的二维光子晶体材料的晶型在此宽带波片所需的工作波段和入射角下，两个偏振的光都能高反射；所述光子晶体是有限周期的的二维光子晶体，其周期数为4～20，波片的厚度为周期数与晶格常数的乘积。
6、根据权利要求4所述的设计二维光子晶体宽带波片的方法，其特征在于：所述步骤(2)具体是通过调节和改变二维光子晶体材料中微柱单元的形状和尺寸和折射率参数，使优化后两个偏振的反射相移差为所要求的值，获得所需的宽带波片；对于半波片，调节两种反射光的相移差为π；对于1/4波片，调节使得两种反射光的相移差为π/2或3π/2。
7、一种根据权利要求1～3任一项所述二维光子晶体宽带波片的应用，其特征在于：应用于波分复用光电集成技术。
8、一种根据权利要求1～3任一项所述二维光子晶体宽带波片的应用，其特征在于：应用于含可调谐激光器的集成光路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20081126 Termination date: 20100804 |