CN102650714B - 光子晶体波导t形偏振分束器 - Google Patents

光子晶体波导t形偏振分束器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体T形偏振分束器，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束器后，TE分量从TE的输出端输出，而TM分量从该分束器的TM输出端输出。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。

Description

光子晶体波导T形偏振分束器
技术领域
    本发明涉及微小光学偏振分束器领域, 尤其涉及一种基于光子晶体技术的微小光学偏振分束器。
背景技术
    传统的偏振分束器体积大, 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, 包括偏振分束器。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。这种偏振分束器，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束器，虽然其体积比传统的偏振分束器小了很多，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T形偏振分束器。
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T形偏振分束器，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束器后，TE分量从TE的输出端输出，而TM分量从该分束器的TM输出端输出。
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平行于光子晶体波导平面并与波的转播方向正交。
所述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。
所述的光子晶体波导平面垂直于所述光子晶体中的介质柱的轴线。
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，可以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 光子晶体及波导示意图。
    如图中所示，本器件初始信号光从左方端口“1”入射，端口“2”输出TE光波，端口“3”输出TM光波。“4”为背景碲介质柱，光轴方向垂直纸面向外，其半径为                                                。“5”为方形缺陷介质柱，光轴方向与纸面平行并且垂直于正方体下端面，其边长为，其位置中心与所删除背景介质柱的各个圆心相同。“6”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T形偏振分束器结构示意图及参数分布图。
    如图中所示，本器件的相关参数为：(所有值都需乘以晶格常数a)
             =1    （晶格常数）
           =3    （波导间介质柱圆心间距）
           =0.575 （方形点缺陷边长）
           =1.5     （圆形点缺陷与背景介质柱距离）
           =1    （方形点缺陷之间距离、与背景介质柱距离）
           =1    （圆形点缺陷之间距离）
           =0.3568（背景碲介质柱半径）
           =0.175 （圆形点缺陷半径）
    图3是本发明光子晶体T形偏振分束器各通道在禁带频率范围内的消光比。
    图4是本发明光子晶体T形偏振分束器各通道在禁带频率范围内的偏振度。
    图5是本发明光子晶体T形偏振分束器上通道TE光在禁带频率范围内的透过率。
    图6是本发明光子晶体T形偏振分束器右通道TM光在禁带频率范围内的透过率。
    图7是TE分量分布模拟图。
    图8是TM分量分布模拟图。
具体实施方式
 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。碲是一种正单轴晶体，n o=4.8, n e=6.2, 当e光轴与介质柱轴同向时，通过平面波展开发可以得到其光子禁带。当光子晶体为正方晶格，晶格常数为，半径为0.3568a时，其光子禁带为3.928 至 4.550()，其中间的任何频率的光波将被限制在波导中。
    本发明通过在上述波导中引入点缺陷，使点缺陷针对不同偏振态的光波的等效折射率不同，继而确定符合单偏振态全反射，同时另一偏振态全透射的点缺陷参数。将这些不同规格的点缺陷应用到不同偏振态波导的端面附近，就可以实现不同偏振态光波的分离。
    如图1与图2所示，本发明所使用碲介质波导需要删除两行或两列介质柱而形成导波波导，其， ，背景介质柱半径 。本说明中使用笛卡尔直角坐标系：x轴正方向为水平向右；y轴正方向为在纸面内竖直向上；z轴正方向为垂直于纸面向外。
    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：
         
      
    可以通过调节介质柱的大小来确定符合且这两个条件的介质柱半径，从而实现阻隔TE光，传输TM光的功能。
     通过数值扫描计算得到，TM波具有消光比极大值时的圆形介质柱的半径为
          
此时的。
    同时，也可以通过同时调节两行并排介质柱的大小来确定符合且这两个条件的介质柱半径，从而实现阻隔TM光，传输TE光的功能。（此时介质柱e光轴的偏置方向与波传播方向正交）
    通过数值扫描计算得到TE波具有消光比极大值时的方形介质柱的边长为
          
此时，。
    水平通TM波导的三个介质柱中心位置位于波导水平中心线与第一列通TM波导介质柱中心线交叉点处，其点缺陷中心与上下两个介质柱中心的距离为
        
    垂直通TE波导的四个方形介质柱与其所在行背景介质垂直中心位置相同，水平中心位置分别与左右两边的背景介质柱的距离为
      
    垂直通TE波导的四个方形介质柱的e光轴的偏置方向与其它点缺陷和背景介质柱不同，其偏置方向为水平x轴。
    如图1与图2所示，通TE波导端口的四个方形缺陷介质柱中，每一个方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，故四个方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，各自边长为。四个方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正交，同时光轴方向与图中正方形的上下边正交，与左右边平行。
    同时，在通TM波导端口的3个圆形缺陷介质柱中，每一个圆形介质柱的中心与原来形成波导时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。
    当在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“4”介质柱阵列形成的波导中传播，到达“2”的缺陷位置后，TE分量将全部通过，TM分量将全部阻隔；到达“6”的缺陷位置后，TM分量将全部通过，TE分量将全部阻隔。最后TE分量将在输出端口“2”位置输出；TM分量将在输出端口“3”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，TE分量将全部导入上方波导；TM分量将全部导入右方波导。
    （2）、当入射光为仅为TE波时，TE波从上方波导导出。
    （3）、当入射光为仅为TM波时，TM波从右方波导导出。
    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
        
其中为禁带频率，以及本发明中正方晶格碲结构的的归一化禁带频率范围
         
计算出相应的禁带波长范围为：
          (11)
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：     (12)
      TM波：    (13)
    偏振度定义为：
      TE波：     (14)
      TM波：    (15)
    通过图3可以发现当工作波长为3.93-4.5左右时，TE波和TM波的消光比全部大于25dB，并且在图4中可以观察到TE、TM波都具有近乎1的偏振度，而此光子晶体禁带波长范围为3.928-4.55，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5、图6分别为上波导TE波与右波导TM波的透过率。从图6可以看到，TM波在整个禁带范围内具有良好的透过率，在接近4.55相对波长时有最差透过率-1.24dB。而从图5可以看到，波长范围在4.072-4.129和4.147-4.4两个波段范围内具有最佳透过率，而在4.129-4.147之间有一个TE波透过率为-20.7dB的极小值。因此，结合图3-图6可得，本发明的最佳工作波长范围为4.072-4.129、4.147-4.4。在这两个波段范围可以实现极高的消光比及透过率。
    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及TM波分别高效地在各自的通带传播，并且具有极高的消光比。
本发明可以短程高效地分离同时具有TE、TM分量的光波，或定向导通单TE或TM分量的光波。本发明在具有高消光比的同时具有较宽的工作波长范围，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。
本发明可以通过在基板上建立以正方晶格排列的正单轴晶体碲阵列，在中心位置删除两行或两列的方式形成波导，使TE、TM光都能以基模形式传播。光子晶体中的背景碲介质柱阵列中的每一个柱的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。
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 (6)

1.一种光子晶体波导T形偏振分束器，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束器后，TE分量从TE的输出端输出，而TM分量从该分束器的TM输出端输出，其特征在于：所述的光子晶波导中设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为四个方形介质柱和3个圆形介质柱；通TE波导端口的四个方形缺陷介质柱中，每一个方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；通TM波导端口的3个圆形缺陷介质柱中，每一个圆形介质柱的中心与原来形成波导时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T形偏振分束器，其特征在于：所述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平行于光子晶体波导平面并与波的传播方向正交。
3.按照权利要求1所述的光子晶体波导T形偏振分束器，其特征在于：所述波导缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
4.按照权利要求1所述的光子晶体波导T形偏振分束器，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。
5.按照权利要求1所述的光子晶体波导T形偏振分束器，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。
6.按照权利要求1所述的光子晶体波导T形偏振分束器，其特征在于：所述的光子晶体波导平面垂直于所述光子晶体中的介质柱的轴线。
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