CN102809782B - 基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，它包括一个位于上部的二维光子晶体薄板和一个与所述的上部二维光子晶体薄板垂直的位于底部的二维光子晶体薄板以及一个输入耦合介质块；在所述的上部二维光子晶体薄板中有P偏振波输出波导；在所述的底部二维光子晶体薄板中有S偏振波输出波导；所述的P偏振波输出波导的输出端口和S偏振波输出波导的输出端口均在三维空间上分开；所述的光子晶体薄板包括背景介质和介质柱。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

基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器

技术领域

本发明属于电磁波偏振分束器领域,尤其是涉及一种基于光子晶体偏振分束器。 

背景技术

目前，大部分偏振分束器体积大，难以用于光路集成中。而以光子晶体为技术背景可以制作一些微小的器件,包括偏振分束器。目前大致分为两种类型：一种是利用一块具有S偏振波禁带和P偏振波导带或P偏振波禁带和S偏振波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，但是体积仍然较大，而且工作波长范围很窄，不利于实际应用。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、偏振度高、光传输效率高，适合大规模光路集成的光子晶体偏振分束器。 

为了解决上述存在的问题，本发明采用下述技术方案。 

本发明的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器包括一个位于上部的二维光子晶体薄板和一个与所述的上部二维光子晶体薄板垂直的位于底部的二维 光子晶体薄板以及一个输入耦合介质块；在所述的上部二维光子晶体薄板中有P偏振波输出波导；在所述的底部二维光子晶体薄板中有S偏振波输出波导；所述的P偏振波输出波导的输出端口和S偏振波输出波导的输出端口均在三维空间上分开；所述的光子晶体薄板包括背景介质和介质柱。 

所述的位于上部的P偏振波输出波导为光子晶体平板波导，它由所述的光子晶体薄板的下半部和右半部中间分别去除半排介质柱而形成，呈直角角尺形状，所述的光子晶体平板波导的横截面为矩形。 

所述的输入耦合介质块为立方体，该输入耦合介质块位于P偏振波输出波导和S波输出波导交界处的中部。 

所述的底部S波输出波导为光子晶体平板波导，它由所述的光子晶体薄板的前半部和右半部中间分别去除半排介质柱而形成，呈直角角尺形状，所述的光子晶体平板波导的横截面为矩形。 

所述的背景介质为空气或其它折射率低于介质柱的介质。 

所述的输入耦合介质块与输入波导相接，该输入波导的内侧表面与所述的输入耦合介质块的外侧表面相接。 

所述的光子晶体薄板中的介质柱的形状为立方柱体、或长方柱体、或圆柱体，或椭圆柱体、或三角柱体、或其它多边形柱体。 

所述的光子晶体的结构为四方晶格、或三角晶格、或六角晶格。 

所述的输入耦合介质块输入混合模式电磁波，底部光子晶体薄板上的S偏振波输出波导输出S偏振波，上部光子晶体薄板上的P偏振波输出波导输出P偏振波。 

所述的输入耦合介质块与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导 相连接；所述的输出端口与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导或光子晶体单偏振波导或传统单偏振波导相连接。 

光子晶体对电磁波的作用可以用等效折射率描述。光子晶体的等效折射率依赖于晶格常数，占空比，电介质的折射率以及背景介质的折射率。选择合适的参数配比，可以使得不同偏振方向上的等效折射率差别很大，因此电磁波在光子晶体中传播较短距离可以获得偏振分束效果。利用不同偏振的等效折射率之差，设计合适的介质柱阵列，可以设计出二维的偏振分束器。其在二维维度上能较好地将电磁波中的S偏振波和P偏振波分量分开，但是分开角度较小，在二维维度上只能有10度左右分离角。而本发明提供的一种基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器可在三维维度上将S偏振波、P偏振波分开，偏振度高，工作波段大。 

本发明与现有技术相比具有以下的优点： 

（1）本发明不需要应用基于类似布儒斯特角分偏振的方法，也不需要通过长波导耦合的方式分光，大多数的光子晶体偏振分束器都是在波导中加入若干个介质柱，以改变对S偏振波和P偏振波的透射和反射，而本发明的波导中无需加入任何的介质柱就能达到分光的效果。 

（2）本发明的特殊的几何构造形态能够很好地对S偏振波和P偏振波进行自行耦合。 

（3）结构体积小，偏振度高，光传输效率高，适合大规模光路集成； 

（4）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； 

（5）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是本发明的结构背面示意图； 

图中：P偏振波输出波导1  输入耦合介质块2  信号光波导入射端口3S波输出波导4  低折射率介质5  高折射率介质柱6  P偏振波分束端口7S偏振波分束端口8 

图2是本发明另一视角（正面）的结构示意图。 

图3是输入光中包含P偏振波时的模拟结果示意图。 

图4是输入光中包含S偏振波时的模拟结果示意图。 

图5是输入光为S偏振波和P偏振波的混合光时的模拟结果示意图。 

图6是位于底部的S偏振波输出端的S偏振波的偏振度和位于上部的P偏振波输出端的P偏振波的偏振度。 

图7是S偏振波输出端的S偏振波的消光比和P偏振波输出端的P偏振波的消光比。 

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。 

如图1所示，边界7与边界8对于不同偏振的光具有不同的等效折射率。一般地，在波导中的等效折射率为： 

$n_{\mathrm{eff}}^S=\frac{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{n}_e{E}_{\⊥}^2\mathrm{d\Ω}}{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{E}_{\⊥}^2\mathrm{d\Ω}}---\left(1\right)$

$n_{\mathrm{eff}}^P=\frac{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{n}_o(E_{\⊥}^2+E_{\left|\right|}^2)\mathrm{d\Ω}}{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}(E_{\⊥}^2+E_{\left|\right|}^2)\mathrm{d\Ω}}---\left(2\right)$

式中 

与 

分别对应S偏振波与P偏振波的等效折射率，z为波的传播方向，x,y相互垂直且垂直于波的传播方向，E_⊥和E_||分别为波导中的波的电场矢量在垂直于和平行于传播方向上的电场分量。选取统一的坐标系:x，y，z，在输入耦合端口中，z方向对应光波的传播方向，该方向平行于垂直面内的光子晶体薄板与水平面内的光子晶体薄板的交界线；在垂直面内的光子晶体波导中，开始时，x方向对应光波的传播方向，拐弯后，z方向对应光波的传播方向；在水平面内的光子晶体波导中，开始时，y方向对应光波的传播方向，拐弯后，z方向对应光波的传播方向。 

波导中的光波与端面之间的反射率与折射率可以表示为： 

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{R}_S={\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^S-1}{n_{\mathrm{eff}}^S+1}\right)}^2\\ T_S=\frac{4n_{\mathrm{eff}}^S}{{(n_{\mathrm{eff}}^S+1)}^2}\end{array}& \left(3\right)\\ \begin{array}{c}{R}_P={\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}^P-1}{n_{\mathrm{eff}}^P+1}\right)}^2\\ T_P=\frac{4n_{\mathrm{eff}}^P}{{(n_{\mathrm{eff}}^P+1)}^2}\end{array}& \left(4\right)\end{array}$

通过正交放置的二维光子晶体薄板可以实现通S偏振波、阻P偏振波，或通P偏振波、阻S偏振波的功能。 

不失一般性,下面均以立方柱子构成的光子晶体薄板结构为例。另外，光子晶体的晶格常数均取1微米。根据光子晶体的伸缩原理，对于其它情况，例如，对于光子晶体的晶格常数为a微米，只需对其它所有几何尺寸参数放大a倍， 并将工作波长放大为光子晶体的晶格常数为1微米情况下的工作波长的a倍即可。 

波导的构造如下，介质柱的尺寸底面为正方形，边长为0.4微米，高度1.6微米，介质柱折射率为3。背景为空气。P偏振波输出波导尺寸为7×7介质柱构成，相邻介质柱间距离为1微米，即其晶格常数为1微米，高1.6微米。右端P偏振波输出波导尺寸为7×7介质柱构成，介质柱间距离为1微米，高1.6微米。输入耦合端口为立方体，长宽高为1.6微米。该输入耦合端口需要接一些具有完全禁带结构的光子晶体波导，如单晶碲结构，蜂窝结构，三角结构，猫眼石结构等。 

正方体2中除端面7与8，3外，其它3面均为信号光波导边界，其边界有效折射率视不同波导特性而定。此类波导可以是具有完全禁带的光子晶体波导或传统的全偏振波导。 

同时，每个二维光子晶体薄板在第三维应加以覆盖以减少散射损失。如可以添加其它边界作为覆盖，也可以添加具有相应光子禁带的一维光子晶体覆盖。 

本发明的基本原理是，从输入耦合端口输入包含其中的S偏振波、P偏振波，或者输入波为S偏振波和P偏振波；当输入光为S偏振波时，在输入耦合端口中，电场矢量在x方向，波的传播方向在z方向，这与水平面内的波导中传播的S偏振波的电场矢量方向一致，从而使S偏振波向水平面内的光子晶体波导中传播，即在波导4中传播；当输入为P偏振波时，在输入耦合端口中，电场矢量在y方向，波的传播方向在z方向，这与垂直面内的波导中传播的S偏振波的电场矢量方向一致，从而使P偏振波向垂直面内的光子晶体波导中传播，即在波导1中传播，输入的P偏振波，在垂直面内的波导中被转化为S波；由此进一步推知，当输入为S偏振波和P偏振波的混合模式时，其中的S偏振波 将向波导4中传播，以S波输出，而其中的P偏振波将向波导1中传播，也以S波输出，但这两束S波在空间上是分开的，在垂直面内的S波是由输入波中的P波转变而来的，如图1所示。因此，利用本发明的结构，可以实现S偏振波和P偏振波的分离作用。 

所述的输出波导的输出端口与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导或光子晶体单偏振波导或传统单偏振波导相连接。 

波导中的偏振度定义为： 

S偏振波： $D_S=\left|\frac{I_S-I_P}{I_S+I_P}\right|---\left(5\right)$

P偏振波： $D_P=\left|\frac{I_P-I_S}{I_P+I_S}\right|---\left(6\right)$

消光比定义为： 

S偏振波： $R_S=10\×{\log }_{10}\left(\frac{I_S}{I_P}\right)---\left(7\right)$

P偏振波： $R_P=10\×{\log }_{10}\left(\frac{I_P}{I_S}\right)---\left(8\right)$

如图6所示，S偏振波在波长2.30-3.24微米波段范围的偏振度达到0.85以上，P偏振波在波长2.30-2.78微米和2.96-3.24微米波段范围内，偏振度能达到0.85。在故S偏振波和P偏振波在2.30-2.78微米和2.96-3.24微米波段范围内偏振度都能达到0.85。特别的，在2.33-2.43微米波段S偏振波和P偏振波的偏振度在0.95以上；在2.97-3.05微米波段范围内，S偏振波和P偏振波的偏振度在0.98以上。 

如图7所示，S偏振波在2.30-3.24微米波段范围内，消光比在10dB以上，而P偏振波在2.25-2.80微米波段范围和2.94-3.24微米波段范围内，消光比均在10dB以上。故在波段2.30-2.80微米和2.94-3.24微米波段范围内，S偏 振波和P偏振波的消光比都在10dB以上。特别的，在2.33-2.43微米波段范围内，S偏振波和P偏振波的消光比在16dB以上；在2.97-3.07微米波段范围内，S偏振波和P偏振波的消光比在21dB以上。 

综上所述，在波段2.30-2.78微米和2.96-3.24微米范围内，S偏振波和P偏振波的偏振度在0.85以上，且消光比达到10dB。在此波段范围内具有实用价值。特别在2.33-2.43微米波段范围内，S偏振波和P偏振波的偏振度在0.95以上且消光比在16dB以上；在2.97-3.05微米波段范围内，S偏振波和P偏振波的偏振度在0.98以上且消光比在21dB以上。所以在该两个波段内具有更高的实用价值。本发明中的光子晶体偏振分束器通过两个正交放置的二维光子晶体薄板及定向自耦合波导可以在任何具有光子禁带的光子晶体结构中实现高效分离S偏振波和P偏振波的功能。 

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 (10)

1. 一种基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于，它包括一个位于上部的二维光子晶体薄板和一个与所述的上部二维光子晶体薄板垂直的位于底部的二维光子晶体薄板以及一个输入耦合介质块；在所述的上部二维光子晶体薄板中有P偏振波输出波导；在所述的底部二维光子晶体薄板中有S偏振波输出波导；所述的P偏振波输出波导的输出端口和S偏振波输出波导的输出端口均在三维空间上分开；所述的光子晶体薄板包括背景介质和介质柱。

2.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的位于上部的P偏振波输出波导为光子晶体平板波导，它由所述的上部二维光子晶体薄板的下半部和右半部中间分别去除半排介质柱而形成，呈直角角尺形状，所述的光子晶体平板波导的横截面为矩形。

3.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的输入耦合介质块为立方体，该输入耦合介质块位于P偏振波输出波导和S偏振波输出波导交界处的中部。

4.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的S偏振波输出波导为光子晶体平板波导，它由所述的底部二维光子晶体薄板的前半部和右半部中间分别去除半排介质柱而形成，呈直角角尺形状，所述的光子晶体平板波导的横截面为矩形。

5.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的背景介质为空气或其它折射率低于介质柱的介质。

6.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的输入耦合介质块与输入波导相接，该输入波导的内侧表面与所述的输入耦合介质块的外侧表面相接。

7.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述介质柱的形状为立方柱体、或长方柱体、或圆柱体，或椭圆柱体、或三角柱体、或其它多边形柱体。

8.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的光子晶体的结构为四方晶格、或三角晶格、或六角晶格。

9.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的输入耦合介质块输入混合模式电磁波，底部光子晶体薄板上的S偏振波输出波导输出S偏振波，上部光子晶体薄板上的P偏振波输出波导输出P偏振波。

10.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器，其特征在于：所述的输入耦合介质块与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导相连接；所述的输出端口与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导或光子晶体单偏振波导或传统单偏振波导相连接。

 

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