CN100541249C - 二维完全带隙光子晶体和消偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是二维完全带隙光子晶体消偏振分束器。光子晶体的晶格排布是六角蜂窝形，它包括一个输入波导和两个输出波导，输入波导与输出波导间有一段互相平行的耦合作用区，耦合区出口端通过弯折波导与输出波导相连，输入波导和输出波导均由2排电介质棒缺陷构成，耦合区两平行波导间距为1-3排电介质棒。本发明的结构明显的优点是具有完全光子带隙，既可实现偏振分束，又可实现消偏振分束，尺寸小易于集成。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种光波分束器，属于光电子技术领域。
(二)背景技术
光子晶体(Photonic Crystal)是电介质呈周期性分布的结构，它的特点是存在光子频率禁带，具有光子频率禁带内频率的光在光子晶体中不能传输，但可以通过引入缺陷来任意地控制光波的流动。光子晶体功能器件与传统波导器件相比，由于呈现及为丰富的光学特性而具有重要的应用前景，如用光子晶体制作反射镜、天线、光开光、光放大器、光波导、微腔、无阈值激光器等；市场上已有商业化的大芯径光子晶体单模光纤，空气孔微结构光纤，高非线性光子晶体光纤和高双折射光子晶体光纤出售。光子晶体器件的尺寸和芯片面积可超小型化，传输损耗低，可以实现大角度弯折，极有利于光子集成功能回路芯片的发展，造价也将大幅度降低。
偏振及消偏振分束器是光信号处理系统和光通信中的关键器件。偏振分束器是将一束入射非偏振电磁波分解成两束具有不同偏振的电磁波器件。传统的偏振器只对很小的频率范围或某一入射角度范围有效，难以同时得到高的偏振度和透射率，体积也比较大，不容易实现光子集成。基于光子晶体的偏振分束器已有研究。文献[Mehmet Bayindir，Appl.Phys.Lett.77，3902，2000]设计了方形晶格光子晶体分束器，但仅能实现单偏振分束效果。文献[X.Y.Chen，Chinese Phys.Lett.21，1285，2004]设计了光子晶体线缺陷Y型波导，一个分支波导透过一个偏振态的电磁波而反射另一个偏振态的电磁波，另一个波导则反过来，但三角晶格结构具有完全带隙，需要很高的填充比，对制作工艺要求很高。文献[X.Y.Ao，Appl.Phys.Lett.89，171115，2006]设计了基于光子晶体正负折射的偏振分束器，一个偏振态的电磁波以正折射透射过光子晶体，另一个偏振态则以负折射透射过光子晶体。消偏振分束器是将一束入射非偏振电磁波分解成两束具有相同光强比的电磁波器件，目前均是利用分光棱镜来实现的，光子晶体消偏振分束器还未见报道。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种透过率高体积尺寸小，更易于大规模光学集成，可将入射光的两个偏振态完全分离或将两偏振态均按相同的光强比分开，即可实现偏振又可实现消偏振的二维完全带隙光子晶体消偏振分束器。
本发明的目的是这样实现的：它包括一个输入波导和两个输出波导，输入波导与输出波导间有一段互相平行的耦合作用区，耦合区出口端通过弯折波导与输出波导相连，输入波导和输出波导均由2排电介质棒缺陷构成，耦合区两平行波导间距为1-3排电介质棒，光子晶体的晶格排布是六角蜂窝形，背景为空气，晶格常数为a，介质柱为硅Si。
本发明还可以包括：
1、耦合区的长度根据耦合比来调节。
2、耦合区的长度通过增加和减小耦合区电介质棒的半径来调节。
3、电介质棒的折射率大于背景介电材料的折射率。
本发明基于光子晶体理论，实现完全带隙偏振及消偏振器件，与普通的波导分束器相比尺寸可以做得更小，能量损耗小且可以实现大角度弯折。本发明的结构明显的优点是具有完全光子带隙，即可实现偏振分束，又可实现消偏振分束，尺寸小易于集成。
本发明的优势在于将光子晶体的概念用于分束器。因蜂窝晶格光子晶体在介质柱占空比不是很高的情况就存在较宽的完全光子带隙，可以降低制作难度，克服制作工艺的要求。利用该完全带隙即可实现偏振又可实现消偏振分束功能器件。该光子晶体器件结构简单，尺寸小，更易于光学集成。
(四)附图说明
图1为本发明光子晶体偏振和消偏振分束器结构图。
图2-a和图2-b为本发明偏振分束器模拟结果图。
图3-a和图3-b为本发明消偏振分束器模拟结果图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，光子晶体1的晶格排布是六角蜂窝形，背景为空气，晶格常数为a，介质柱为硅Si。包括一个输入波导2和两个输出波导4和5，输入波导2与输出波导4、5间存在一段互相平行的耦合作用区3，耦合区3出口端通过弯折波导与输出波导4、5相连，输入波导2和输出波导均由2排电介质棒缺陷构成，耦合区两平行波导间距为2排电介质棒。耦合区的长度可以根据耦合比来调节，也可以通过增加和减小耦合区电介质棒的半径来调节。
实施例1：
采取图1所示六角蜂窝结构，背景为空气，晶格常数为a，硅Si介质柱的相对介电常数ε取为11.38，介质柱半径约为0.15a，输入波导和输出波导均由2排电介质棒缺陷构成，耦合区两平行波导间距为2排电介质棒。耦合作用长度区为80a时，入射光波归一化频率ωa/2πc＝0.9743时，可以用于偏振分束器，ω为光波频率，c为真空中光速，TE和TM两模式所对应的场分布如图2示。
实施例2：
采取图1所示六角蜂窝结构，背景为空气，晶格常数为a，硅Si介质柱的相对介电常数ε取为11.38，介质柱半径约为0.15a，输入波导和输出波导均由2排电介质棒缺陷构成，耦合区两平行波导间距为2排电介质棒。耦合作用区长度为30a时，入射光波归一化频率ωa/2πc＝0.9822时，可以用于消偏振分束器，ω为光波频率，c为真空中光速，TE和TM两模式所对应的场分布如图3示。
Claims (1)
1、一种二维完全带隙光子晶体消偏振分束器，它包括一个输入波导和两个输出波导，输入波导与输出波导间有一段互相平行的耦合作用区，耦合区出口端通过弯折波导与输出波导相连，输入波导和输出波导均由2排电介质棒缺陷构成，耦合区两平行波导间距为2排电介质棒，其特征是：光子晶体的晶格排布是六角蜂窝形，背景为空气，晶格常数为a，介质柱为硅Si；硅Si介质柱的相对介电常数ε取为11.38，介质柱半径为0.15a，耦合作用区长度为30a，入射光波归一化频率ωa/2πc＝0.9822，ω为光波频率，c为真空中光速。
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