CN102650713B - 光子晶体波导tm-偏振分离器 - Google Patents

光子晶体波导tm-偏振分离器 Download PDF

Info

Publication number
CN102650713B
CN102650713B CN201210064942.7A CN201210064942A CN102650713B CN 102650713 B CN102650713 B CN 102650713B CN 201210064942 A CN201210064942 A CN 201210064942A CN 102650713 B CN102650713 B CN 102650713B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
photonic crystal
polarization separator
dielectric posts
wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201210064942.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102650713A (zh
Inventor
欧阳征标
金鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shenzhen University
Original Assignee
Shenzhen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shenzhen University filed Critical Shenzhen University
Priority to CN201210064942.7A priority Critical patent/CN102650713B/zh
Publication of CN102650713A publication Critical patent/CN102650713A/zh
Priority to PCT/CN2013/070249 priority patent/WO2013104302A1/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102650713B publication Critical patent/CN102650713B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1225—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths comprising photonic band-gap structures or photonic lattices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/126—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind using polarisation effects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光子晶体TM-偏振分离器，它包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导的输入端输入任意偏振方向的入射波入射到该偏振分离器后，TM波从该偏振分离器的输出端输出，而TE波从该偏振分离器的输入端反射回去。本发明结构体积小，偏振度高，光传输效率高，便于集成而且高效，适合大规模光路集成，可以实现不同波长偏振分束的功能。<b/>

Description

光子晶体波导TM-偏振分离器
技术领域
    本发明涉及微小光学偏振分离器领域, 尤其涉及一种基于光子晶体技术的微小光学偏振分离器。
背景技术
    传统的偏振分离器体积大, 无法用于光路集成中。以光子晶体为基础可以制作微小的器件, 包括偏振分离器。目前有两种做法：一种是利用一块具有TE禁带和TM导带或TM禁带和TE导带的光子晶体来实现波的偏振分离。这种偏振分离器，由于其透过率和偏振度较差，并且难以集成到其它光子晶体器件中，只能作为单一光子晶体器件使用在传统光学波导中。另一种是通过长程耦合波导，利用波导之间周期性耦合和奇偶态变化的方法，设计不同的相对耦合长度把不同偏振态的光波耦合到不同的波导。通过这两种方法所得到的偏振分离器，虽然其体积比传统的偏振分离器小了很多，但还是显得比较大。
发明内容
    本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种高效短程便于集成的光子晶体通TM-偏振分离器。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
本发明的光子晶体波导TM-偏振分离器，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导的输入端输入任意偏振方向的入射波到该偏振分离器后，TM波从该偏振分离器的输出端输出，而TE波从该偏振分离器的输入端反射回去。
所述的光子晶体波导中设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱中的e光折射率大于o光折射率，且波导缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
所述的波导缺陷介质柱数量为1根或2根或3根或4根或5根或6根。
所述的光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。
所述的光子晶体波导为所述光子晶体中移除1排或2排或3排或4排介质柱后的结构。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
（1）结构体积小，偏振度高，光传输效率高，适合大规模光路集成；
（2）本发明在短程通过两个点缺陷就可以完全实现偏振分离功能，便于集成而且高效；
（3）本发明应用光子晶体可等比例缩放的特性，通过等比例改变晶格常数的方法，来实现不同波长偏振分束的功能。
附图说明
    图1是本发明使用的Tellurium 光子晶体波导器件结构示意图。
    本器件初始信号光从左方端口“1”入射，端口“2”输出TE光波。“3”为背景碲介质柱，光轴方向垂直纸面向外，其半径为                                                。“4”为圆形缺陷介质柱，光轴方向与背景介质柱相同，其半径为，其位置中心与所删除背景介质柱的各个圆心相同。
    图2是本发明光子晶体TM-偏振分离器随介质柱大小变化的右通道TM、TE光强分布图。
    图3是本发明光子晶体TM-偏振分离器随介质柱大小变化的右通道TM光消光比。
    图4是本发明光子晶体TM-偏振分离器，波导中的光波随圆形点缺陷大小变化的偏振度。
    图5是本发明光子晶体TM-偏振分离器在禁带频率范围内的消光比。
    图6是本发明光子晶体TM-偏振分离器在禁带频率范围内的偏振度。
    图7是TM分量分布模拟图。
    图8是TE分量分布模拟图。
具体实施方式
 下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的原理介绍和具体实施方式中的介质材料均以碲介质柱为例。先在基板上建立以正方晶格排列的正单轴晶体碲阵列，然后在中心位置删除两行或两列以形成波导，TE、TM光都以基模形式传播。背景碲介质柱阵列中的每一个介质柱的e光光轴方向要满足与圆柱体的轴线方向一致。工作波长可以通过介质柱间晶格常数来调节，但工作波长的选取不能超出折射率线性稳定范围。
    如图1所示，本发明所使用的碲介质波导需要删除两行或两列介质柱而形成导光波导，其宽度为 ，为波导两边介质柱圆心之间的间距，其中为所述的光子晶体的晶格常数。光子晶体中的背景碲介质柱半径 。本说明中使用笛卡尔直角坐标系：x轴正方向在纸面内水平向右；y轴正方向在纸面内竖直向上；z轴正方向垂直于纸面向外。
    点缺陷的等效折射率为：
            
            
式中与分别对应TE与TM光的等效折射率，，，分别为电场的x, y, z分量。
    波导中的光波在点缺陷处的反射率()与透射率()可以表示为：
         
              
    图2示出了3个圆形缺陷介质柱的半径变化导致的不同TE、TM光波的输出强度。在图中可以明显看到，在半径长度范围为0.1-0.22之间，TM波具有极大输出强度。
    如图3、图4所示，可以通过同时调节3个介质柱的大小来确定符合且这两个条件的的介质柱半径，从而实现阻隔TE光，传输TM光的功能。（此时缺陷介质柱e光轴的偏置方向与背景碲介质柱一致）
    根据图3，当圆形点缺陷边长范围在0.1-0.227之间时，TM波具不小于18dB的极大消光比。根据图4，当圆形点缺陷边长范围在0.1-0.227之间时，TM波具有大于0.995的偏振度。结合图3与图4，TM波具有极大消光比时的圆形介质柱的半径为
           
此时，。
    如图1所示，3个圆形缺陷介质柱中，每一个圆形介质柱的中心与原来为形成波导所删除的圆形介质柱的中心相同，故3个圆形介质柱各自距离为，同时与最近背景介质柱中心的距离也为，各自半径为。3个圆形碲介质柱的光轴与光子晶体中的背景圆柱碲介质柱的光轴方向一致。
    当碲介质柱阵列波导中引入上述缺陷后，入射信号端口为图1中“1”的位置，光在以“3”介质柱阵列形成的波导中传播，到达“4”的缺陷位置后，TM分量将全部通过，TE分量将全部阻隔，最后经过缺陷处理后的信号将在输出端口“2”位置输出。对不同输入的信号，具有以下选择功能：
    （1）、当入射光为TE、TM混合波时，TM分量将全部从右方波导导出，TE分量将全部被隔离。
    （2）、当入射光为TM波时，TM波从右方波导导出。
    （3）、当入射光为TE波时，TE将不能导入右方波导。
    对于晶格常数和工作波长的选取，可以用以下方式确定。通过单轴晶体碲的折射率曲线知，在波长范围为之间，碲具有比较稳定的折射率。通过公式
        
其中为归一化禁带频率，以及本发明中正方晶格碲结构的的禁带范围
          
计算出相应的禁带波长范围为：
          
由此可见，可以通过改变晶格常数的值得到与其等比例的满足波长范围的值。
    波导中的消光比定义为：
      TE波：     
      TM波：    
    偏振度定义为：
      TE波：     
      TM波：    
通过图5可以发现当工作波长为3.928-4.55之间时，在输出端口TM波的消光比全部大于38dB，即在整个禁带区间具有极好的消光比。
    通过图6可以发现当工作波长为3.928-4.55之间时，在输出端口TM波的偏振度全部大于0.9996，即在整个禁带区间具有极好的偏振度。
    结合图5、图6以及上述分析，可以发现所有在禁带波段3.928-4.55之间光波可以很好的实现本发明的功能。这说明本发明具有很大的工作波长范围，这是其它耦合腔模式偏振分光器件所不具备的。
图7、图8为自由空间工作波长为4.1时，通过有限元软件COMSOL进行计算，得到的光场模拟图。可以观察到，TE光以高透过率传播，而TM光完全被阻隔，并且具有极高的消光比。
本发明在具有高消光比的同时具有较宽的工作波长范围，可以允许有一定频谱宽度的脉冲，或高斯光，或不同波长的光工作，或多个波长的光同时工作，具有实用意义。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

Claims (4)

1.一种光子晶体波导TM-偏振分离器，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导的输入端输入任意偏振方向的入射波入射到该偏振分离器后，TM波从该偏振分离器的输出端输出，而TE波从该偏振分离器的输入端反射回去，其特征在于：所述的光子晶体波导中设置有波导缺陷介质柱，所述缺陷介质柱为3个圆形缺陷介质柱，该3个圆形缺陷介质柱中，每一个圆形介质柱的中心与原来为形成波导所删除的圆形介质柱的中心相同。
2.按照权利要求1所述的光子晶体波导TM-偏振分离器，其特征在于：所述的波导缺陷介质柱中的e光折射率大于o光折射率，且波导缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
3.按照权利要求1所述的光子晶体波导TM-偏振分离器，其特征在于：所述的光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，或各种非规则形状二维光子晶体波导。
4.按照权利要求1所述的光子晶体波导TM-偏振分离器，其特征在于：所述的光子晶体波导为所述光子晶体中移除1排或2排或3排或4排介质柱后的结构。
CN201210064942.7A 2012-01-13 2012-01-13 光子晶体波导tm-偏振分离器 Expired - Fee Related CN102650713B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210064942.7A CN102650713B (zh) 2012-01-13 2012-01-13 光子晶体波导tm-偏振分离器
PCT/CN2013/070249 WO2013104302A1 (zh) 2012-01-13 2013-01-09 光子晶体波导tm-偏振分离器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210064942.7A CN102650713B (zh) 2012-01-13 2012-01-13 光子晶体波导tm-偏振分离器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102650713A CN102650713A (zh) 2012-08-29
CN102650713B true CN102650713B (zh) 2015-04-08

Family

ID=46692751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201210064942.7A Expired - Fee Related CN102650713B (zh) 2012-01-13 2012-01-13 光子晶体波导tm-偏振分离器

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN102650713B (zh)
WO (1) WO2013104302A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102650713B (zh) * 2012-01-13 2015-04-08 深圳大学 光子晶体波导tm-偏振分离器
CN103941414A (zh) * 2014-02-22 2014-07-23 浙江大学 基于异构二维光子晶体的y型偏振滤波分束器
CN104570206B (zh) * 2015-01-09 2017-06-09 中国科学院大学 基于光子晶体驻波谐振的分束方法
CN108152886A (zh) * 2016-12-05 2018-06-12 上海新微科技服务有限公司 一种基于硅光子晶体的三光束分光器
CN109669242B (zh) * 2019-01-04 2021-01-01 深圳大学 一种光子晶体波导对角模干涉fano共振结构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101126828A (zh) * 2007-09-12 2008-02-20 哈尔滨工程大学 二维完全带隙光子晶体偏振和消偏振分束器
CN101887145A (zh) * 2010-06-17 2010-11-17 中国科学院半导体研究所 光子晶体矩形耦合腔零色散慢光波导

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001175659A (ja) * 1999-12-14 2001-06-29 Canon Inc 文書管理システム、文書管理方法および記憶媒体
JP2001174659A (ja) * 1999-12-15 2001-06-29 Showa Electric Wire & Cable Co Ltd モード分離方法及びモード分離器
JP2004125919A (ja) * 2002-09-30 2004-04-22 Mitsui Chemicals Inc 偏光分離素子
JP4669923B2 (ja) * 2005-03-18 2011-04-13 国立大学法人京都大学 偏波モード変換器
CN101840024A (zh) * 2010-04-07 2010-09-22 浙江日风电气有限公司 一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器
CN102650713B (zh) * 2012-01-13 2015-04-08 深圳大学 光子晶体波导tm-偏振分离器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101126828A (zh) * 2007-09-12 2008-02-20 哈尔滨工程大学 二维完全带隙光子晶体偏振和消偏振分束器
CN101887145A (zh) * 2010-06-17 2010-11-17 中国科学院半导体研究所 光子晶体矩形耦合腔零色散慢光波导

Also Published As

Publication number Publication date
CN102650713A (zh) 2012-08-29
WO2013104302A1 (zh) 2013-07-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102650714B (zh) 光子晶体波导t形偏振分束器
CN102650715B (zh) 光子晶体波导te-偏振分离器
CN102650713B (zh) 光子晶体波导tm-偏振分离器
CN100538413C (zh) 基于光子晶体和多模干涉耦合器混合型的偏振分束器
CN107015309B (zh) 一种低损耗宽频带太赫兹波渐变光子晶体滤波器
CN105866885B (zh) 偏振分束旋转器
CN103901537B (zh) 基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥
CN201069474Y (zh) 一种基于光子晶体/多模干涉耦合器混合型的偏振分束器
CN103941337B (zh) 基于同构二维光子晶体的y型偏振滤波分束器
US9329338B2 (en) Full-polarization-state power distributor with integer ratio of power distribution based on photonic crystal waveguide
CN101840024A (zh) 一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器
CN102809782B (zh) 基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器
Liu et al. All-optical diode structure based on asymmetrical coupling by a micro-cavity and FP cavity at two sides of photonic crystal waveguide
Lu et al. Wavelength routers with low crosstalk using photonic crystal point defect micro-cavities
CN103176328B (zh) 一种二维硅基光子晶体线缺陷慢光波导装置
US9170375B2 (en) TM-polarization splitter based on photonic crystal waveguide
CN101916027A (zh) 基于单个光子晶体微环的全光光逻辑门器件
CN201897676U (zh) 一种带有六边形单个光子晶体微环结构的光逻辑门
CN104360440B (zh) 一种基于完全禁带型光子晶体波导的x形交叉偏振光桥
CN102778728A (zh) 一种基于光子晶体缺陷带的te/tm模分离器的设计方法
Xu et al. Self-imaging effect in photonic quasicrystal waveguides: Application to 3 dB power splitter for terahertz waves
CN215264109U (zh) 一种二维光子晶体波导结构
Xu et al. Multi‐channel photonic crystal drop filter with cascaded stubs
de Hon et al. Proceedings of the 25th International Workshop on Optical Wave & Waveguide Theory and Numerical Modelling: held on April 5th and 6th 2017
Li et al. Low loss photonic crystal waveguide by elliptical unit cell structure

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
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150408

Termination date: 20170113