CN101266337A

CN101266337A - 二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪及其设计方法

Info

Publication number: CN101266337A
Application number: CNA2007100379906A
Authority: CN
Inventors: 蒋寻涯; 赵德印; 陈曦耀; 张洁; 姚培军
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-09-17

Abstract

本发明提供一种二维光子晶体自准直马赫－曾特尔干涉仪及其设计方法，其中所述的设计方法包括如下步骤：步骤1、选定材料，确定材料折射率，选择正方晶格光子晶体的类型，确定结构参数；步骤2、利用平面波展开法计算该结构的等频图，得到具有自准直现象的电磁波模式；步骤3、在光子晶体引入线缺陷作为分束器和全反射镜，构成光子晶体马赫－曾特尔干涉仪，在构成干涉仪的材料中引入非线性效应，该干涉仪可以用作光强探测器和光开关；本发明的光子晶体自准直干涉仪、光强探测器和光开关的优点在于光束在光子晶体中自引导不需要导波结构，分束和弯折机制简单，而且避免了光子晶体波导型干涉仪中存在的波导耦合问题，此外还有分束器的分束比容易控制，结构体积小等特点。

Description

二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪及其设计方法

技术领域

本发明提供了一种二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪及其设计方法，属于光电子、光通信等技术领域。

技术背景

近些年来，光子晶体自准直现象和它在集成光路中的应用前景引起了人们的广泛关注。不同于线缺陷型光子晶体波导机制，利用光子晶体自准直效应，光束就可以克服衍射发散而几乎完全准直地向前传播。人们从理论上对自准直效应进行了深入研究，并且在实验上也得到证实。它来源于光子晶体独特的色散性质，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。由于光波能量的传播总是垂直于等频面，这一频率区间的光波在光子晶体内将只沿着垂直等频面的方向传播。为了能够实际应用，人们提供了简单有效的自准直光束弯折和分束机制。利用光子晶体-空气界面作为内全反射镜使自准直光束发生90°的弯折。对分束机制，可以利用改变两块近邻光子晶体之间的距离或者改变线缺陷上介质柱或空气孔的半径来调节能量分束比。除自准直分束器之外，这些反射和分束机制容易用来设计其他光学器件。

现有的光子晶体马赫-曾特尔干涉仪、光强探测器、光开关都是利用光子晶体线缺陷作为波导引导光束的传播，没有利用自准直效应来引导光束的传播。

现有技术也有采用线缺陷作为分束器和反射镜，但没有将线缺陷和自准直效应结合起来设计干涉仪、光强探测器、光开关的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪及其设计方法，该干涉仪避免了光子晶体波导型干涉仪中存在的波导耦合问题，同时使得分束器的分束比容易控制。

所述的二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪设计方法，包括如下步骤：

步骤1、选定材料，确定材料折射率，选择正方晶格光子晶体的类型，确定结构参数；

步骤2、利用平面波展开法计算该结构的等频图，得到具有自准直现象的电磁波模式；其特征在于，还包括：

步骤3、在光子晶体引入线缺陷作为分束器和全反射镜，构成光子晶体马赫-曾特尔干涉仪；

进一步地，还包括：

步骤4、利用有限时域差分方法数值分析该干涉仪的工作原理，给出其数学模型。

所述的引入线缺陷作为分束器是指：改变一排介质柱或空气孔，该介质柱或空气孔的排列方向为与X轴夹角为45度的方向。

所述的改变介质柱或空气孔是指改变一排介质柱或空气孔的半径或折射率，使其不同于主体介质柱或空气孔。

所述的引入线缺陷作为全反射镜是指：在与X轴夹角为45度的方向上挖去一排或多排介质柱或空气柱。

所述的分束器的分束比之和为1。

进一步地，本发明还提供一种光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪，包括光子晶体、分束器和全反射镜，所述的分束器和全反射镜均为光子晶体内的线缺陷且光束在晶体内自准直传播。

进一步地，本发明提供的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪可以用作光强探测器或光开关，其特征在于，所述的光强探测器或光开关是在构成干涉仪的材料中引入非线性效应。

本发明的光子晶体自准直干涉仪、光强探测器、光开关的优点在于光束在光子晶体中自引导不需要导波结构，分束和弯折机制简单，而且避免了光子晶体波导型干涉仪中存在的波导耦合问题，此外还有分束器的分束比容易控制，结构体积小等特点。

基于光子晶体波导型马赫-曾特尔干涉仪、光强探测器、光开关集成光子器件的应用前景已经受到了人们极大的关注，目前人们已经设计了马赫-曾特尔干涉仪偏振分束器、全光开光、波分复用器等光子晶体器件。与波导型的光子晶体干涉仪一样，我们设计的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪、光强探测器、光开关也有着广阔的应用前景。

附图说明

图1光子晶体结构示意图；

图2该结构的TM模式等频图，粗实线f_sc代表自准直模式；

图3分束器的反射率和透射率；

图4二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪结构图，虚线框部分代表自准直波导Wg_sc；

图5该干涉仪工作时的瞬态电场分布图。

图6该干涉仪用作光强探测器或光开关时的瞬态电场分布图。

具体实施方式

本发明提供一种二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪、光强探测器、光开关的设计方法，包括如下步骤：

1、选定材料，确定材料折射率，选择正方晶格光子晶体的类型，确定结构参数；

选择介电常数ε＝12的Si介质柱，组成二维正方晶格结构，介质柱半径为r＝0.35a，其中a是晶格周期，暂为参量。光子晶体结构如图1所示，介质柱的轴线沿z轴方向，正方晶格的对角线(11方向)沿x轴方向，另一垂直对角线沿y轴方向。当然，所述的光子晶体也可以是由空气柱组成，因此以下的介质柱也可以是空气柱。

2、利用平面波展开法计算该结构的等频图，得到具有自准直现象的电磁波模式；

用平面波展开法计算该结构TM(电场极化偏振)模式的等频图(第一个带)，如图2所示，等频面上粗线f_sc对应的频率代表了具有自准直效应的电磁波模式。该等频率线在很大张角内为一条平坦的线段，而在这条等频率线段上所有的电磁波模式在光子晶体中传播时其能流方向都垂直该等频线，该频率对应的这些模式都将沿着这一方向(11方向)向前传播。根据这一特性，光束在光子晶体中不需要隧道式的约束机制而自准直地向前传播。图中粗线就代表了该结构具有的自准直频率f＝0.194c/a，c为真空中光速。我们选择入射高斯光束的波长λ＝1.55μm，光子晶体的晶格周期为a＝0.194×1.55μm＝0.3μm。

3、在光子晶体引入线缺陷作为分束器和全反射镜，构成光子晶体马赫-曾特尔干涉仪，在构成干涉仪的材料中引入非线性效应，该干涉仪可以用作光强探测器和光开关；

结合图1、图4所示：在(10)方向(与x轴夹角为45°)，引入线缺陷，即由一排15根介质柱(此处介质柱不一定是15根，只需在45度方向上比光束要宽一点即可)组成，半径r_d∈[0，0.35a]，自准直光束经过该线缺陷时被分为两束I_t和I_r，I_t沿原来方向传播，I_r沿垂直方向传播。该线缺陷就是一个分束器，改变其介质柱半径可以得到不同的分束比，如果半径为零，分束器便成为反射镜，为了能都起到全反射的效果，用挖去两排介质柱的线缺陷作为全反射镜。按照传统马赫-曾特尔干涉仪的装置放置分束器和全反射镜构成光子晶体准直干涉仪、光强探测器、光开关。

本具体实施例中，选择两个分束器，其反射率R₁＝R₂＝0.5，如图4所示，长为宽为图中S₁和S₂代表分束器，都是由(10)方向上一排15根半径为0.275a的柱子组成，M₁和M₂代表全反射镜，都是在(10)方向上挖去相邻的两排柱子，每排也是15根(不一定是15根，只需在45度方向上比光束要宽一点即可)。分束器和反射镜的四个中心连线构成一正方形，边长为

左上角是一个与干涉仪相连的光子晶体波导(图中虚线框所示)用来把入射光束引入到干涉仪中，其长为

宽为

可见，通过上述方法获得的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪、光强探测器、光开关的结构，包括光子晶体、分束器和全反射镜，所述的分束器和全反射镜均为设于光子晶体内的线缺陷。

4、利用有限时域差分方法数值分析该干涉仪、光强探测器、光开关的工作原理，给出其数学模型。

对于分束器的分束比，即分束器的反射率和透射率，我们用有限时域差分(FDTD)方法进行数值测量，如图3所示：改变分束器柱子半径可以得到一系列不同的分束比，同时得到了自准直光束经过分束器后反射光和透射光之间的位相差为π/2，因此干涉仪两输出端的光强I₁和I₂可以写为

I_{1} = A^{2} [R_{1} + R_{2} - 2 R_{1} R_{2} + 2 \sqrt{(1 - R_{1}) (1 - R_{2}) R_{1} R_{2}} \cos (2 πΔl / λ)] - - - (1)

I_{2} = A^{2} [1 - R_{1} - R_{2} + 2 R_{1} R_{2} - 2 \sqrt{(1 - R_{1}) (1 - R_{2}) R_{1} R_{2}} \cos (2 πΔl / λ)] - - - (2)

这里A表示入射光束的振幅，R₁和R₂分别是两个分束器的反射率，Δl是两条光路的光程差，λ是入射光波长。根据干涉仪结构的对称性且没有非线性效应的时候Δl＝0，从方程(1)和(2)我们可以看出，如果两个分束器的反射率之和满足R₁+R₂＝1，则I₁＝1和I₂＝0总是成立。这一结果说明，在这一条件下，该干涉仪中会发生单向出射现象。而传统干涉仪一般都是利用R₁＝R₂＝0.5设计的。对于本发明的干涉仪，由于分束器的分束比容易控制，因此也可以使用其他参数设计干涉仪。这里我们也可以看出，方程(1)和(2)既是描述传统干涉仪工作原理的数学模型，同时也适用本发明的干涉仪。在构成干涉仪材料中引入非线性效应后，对于非对称结构Δl≠0，此时，干涉仪下面的出射端光强I₂不再为零，如图6所示，根据这一现象该干涉仪可以用作光强探测器和光开关。

依据上面设定的参数，入射光源为单色高斯光源，波长λ＝1.55μm，半高宽为

从图5中可以看到干涉仪是单向出射。从图6可以看到在干涉仪下出射端有明显出射。

上面描述的仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述具体实施例，凡本领域技术人员所显而易见的改进均落在本发明的范围内，比如，所述的介质柱可以是空气柱，所述作为分束器的介质柱只要与其他介质柱不同即可，该不同可以是介质柱半径或折射率与其他介质柱不同。

Claims

1. 一种二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪的设计方法，包括如下步骤：

2. 根据权利要求1所述的二维光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪的设计方法，其特征在于，还包括：

3. 根据权利要求1所述的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪的设计方法，其特征在于，所述的引入线缺陷作为分束器是指：改变一排介质柱或空气孔，该介质柱或空气孔的排列方向为与X轴夹角为45度的方向。

4. 根据权利要求3所述的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪的设计方法，其特征在于，所述的改变介质柱或空气孔是指改变一排介质柱或空气孔的半径或折射率，使其不同于主体介质柱或空气孔。

5. 根据权利要求1所述的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪的设计方法，其特征在于，所述的引入线缺陷作为全反射镜是指：在与X轴夹角为45度的方向上挖去一排或多排介质柱或空气柱。

6. 根据权利要求1或3所述的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪的设计方法，其特征在于，所述的分束器的分束比之和为1。

7. 一种光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪，包括光子晶体、分束器和全反射镜，其特征在于，所述的分束器和全反射镜均为光子晶体内的线缺陷且光束在晶体内自准直传播。

8. 根据权利要求7所述的光子晶体自准直马赫-曾特尔干涉仪，其特征在于，所述的干涉仪利用非线性效应还可以用作光强探测器和光开关。