CN102650715A - 光子晶体波导te-偏振分离器 - Google Patents

光子晶体波导te-偏振分离器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子晶体TE-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，TE波从该偏振分离器的输出端输出，而TM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。

Description

光子晶体波导TE-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TE-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TE-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，TE波从该偏振分离器的输出端输出，而TM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平行于光子晶体波导平面并与波的转播方向正交。
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，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：
    光子晶体波导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                                                
Figure 189465DEST_PATH_IMAGE001
。“4”为方形缺陷介质柱，光轴方向与纸面平行并且与纸面的水平轴垂直，所述方形缺陷介质柱的横截面的边长为
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE002
，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TE-偏振分离器随介质柱大小变化的右通道TE、TM光强分布图。
    图3 是本发明光子晶体TE-偏振分离器随介质柱大小变化的右通道TE光消光比。
    图4是本发明光子晶体TE-偏振分离器，波导中的光波随方形点缺陷大小变化的偏振度。
    图5是本发明光子晶体TE-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TE-偏振分离器在禁带频率范围内的偏振度。
    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
 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。碲是一种正单轴晶体，其o光折射率为n o=4.8, e光折射率为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
Figure 168922DEST_PATH_IMAGE003
，半径为0.3568
Figure 948659DEST_PATH_IMAGE003
时，其光子禁带为3.928 至 4.550(
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE004
)，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光波导，其宽度为
Figure 904721DEST_PATH_IMAGE005
，为波导两边介质柱圆心之间的间距，其中
Figure 781410DEST_PATH_IMAGE003
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
Figure 666189DEST_PATH_IMAGE007
Figure 933222DEST_PATH_IMAGE006
。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：
      
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE008
      
      
Figure 194439DEST_PATH_IMAGE009
      
式中
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE010
与
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE011
分别对应TE与TM光的等效折射率，
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE013
，
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE014
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(
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE015
)与透射率()可以表示为：
      
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE017
   
      
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE018
如图1所示，四个方形缺陷碲介质柱中，每一个方形介质柱的中心与原来形成波导所删除的圆形介质柱的中心相同，故四个方形碲介质柱成正方形排列,正方形各边的两个柱子之间的中心距离为
Figure 614051DEST_PATH_IMAGE003
，同时与最近背景介质柱中心的距离也为
Figure 162407DEST_PATH_IMAGE006
，各自边长为
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE019
。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。
    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，TE分量将全部通过，TM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，TE分量将全部从右方波导导出，TM分量将全部被隔离。
    （2）、当入射光为TE波时，TE波从右方波导导出。
    （3）、当入射光为TM波时，TM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
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE020
之间，碲具有比较稳定的折射率。通过公式
      
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE021
  (5)
其中
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE022
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
          (6)
计算出相应的禁带波长范围为：
      
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE024
    (7)
由此可见，可以通过改变晶格常数
Figure 103687DEST_PATH_IMAGE006
的值得到与其等比例的满足波长范围的
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE025
值。
    波导中的消光比定义为：
      TE波：
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE026
     (8)
      TM波：    (9)
    偏振度定义为：
      TE波：
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE028
     (10)
      TM波：
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE029
    (11)
    图2示出了四个方形缺陷介质柱的边长变化导致的不同TE、TM光波的输出强度。在边长范围为0.51-0.6
Figure 52500DEST_PATH_IMAGE006
之间，TE波具有输出强度极大值。
    如图3、图4所示，可以通过同时调节两行并排介质柱的大小来确定符合
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE030
且
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE031
这两个条件的的介质柱的边长，从而实现阻隔TM光，传输TE光的功能。（此时缺陷介质柱e光轴的设置方向为水平y轴）
    根据图3，当方形点缺陷边长范围在0.55-0.6
Figure 347138DEST_PATH_IMAGE003
之间时，TE波的消光比具有极大值。即当边长为0.575时，消光比为37.3dB。根据图4，当方形点缺陷边长范围在0.55
Figure 328050DEST_PATH_IMAGE003
-0.6
Figure 663216DEST_PATH_IMAGE003
之间时，TE波具有大于0.995的偏振度。即当边长为0.575
Figure 454455DEST_PATH_IMAGE006
时，偏振度为0.9996。结合图3与图4得出，TE波具有消光比极大值时的方形介质柱的边长为
      
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE032
     (12)
此时，
Figure 2012100649499100002DEST_PATH_IMAGE033
。
通过图5可以发现当工作波长为3.928
Figure 595586DEST_PATH_IMAGE003
-4.55之间时，在输出端口TE波的消光比除区间4.032
Figure 428992DEST_PATH_IMAGE003
-4.046
Figure 379631DEST_PATH_IMAGE006
外，全部大于17dB。在波长为4.1375
Figure 324453DEST_PATH_IMAGE003
时，消光比有最大值35.885dB。而在区间4.032
Figure 676937DEST_PATH_IMAGE003
-4.046
Figure 619485DEST_PATH_IMAGE003
内，消光比具有最小值5.4dB。
    通过图6可以发现当工作波长为3.928
Figure 119736DEST_PATH_IMAGE003
-4.55
Figure 540354DEST_PATH_IMAGE003
之间时，在输出端口TE波的偏振度除区间4.032
Figure 75240DEST_PATH_IMAGE006
-4.046
Figure 188690DEST_PATH_IMAGE006
外，全部大于0.96，而在区间4.032
Figure 680632DEST_PATH_IMAGE003
-4.046
Figure 904940DEST_PATH_IMAGE003
内，偏振度具有最小值0.55。因此在波长区间4.032
Figure 28753DEST_PATH_IMAGE006
-4.046
Figure 313104DEST_PATH_IMAGE006
内，不适合选取工作波长。
    结合图5、图6以及上述分析，可以发现除去一个很窄的波段4.032
Figure 725631DEST_PATH_IMAGE003
-4.046
Figure 815947DEST_PATH_IMAGE003
外，所有其它在波段3.928-4.55
Figure 249519DEST_PATH_IMAGE006
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
Figure 149342DEST_PATH_IMAGE003
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。
通TE波导的四个方形介质柱e光轴的设置方向与其它点缺陷和背景介质柱的不同，其设置方向与Y轴平行。因为其e光轴设置方向不同，所以缺陷的形状设计成为方形，以保证对光波导的线性影响，同时也能降低制造难度。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偏振态的光波。
本发明在具有高消光比的同时具有较宽的工作波长范围，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。
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TE-偏振分离器，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，其特征在于：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，TE波从该偏振分离器的输出端输出，而TM波从该偏振分离器的输入端反射回去。
2.按照权利要求1所述的光子晶体波导TE-偏振分离器，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，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。
3.按照权利要求2所述的光子晶体波导TE-偏振分离器，其特征在于：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。
4.按照权利要求1所述的光子晶体波导TE-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，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TE-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。
6.按照权利要求1所述的光子晶体波导TE-偏振分离器，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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