CN102830463B - 光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器，它包括一个具有完全禁带的光子晶体中形成的光子晶体波导，所述的光子晶体由背景介质柱阵列构成；所述的光子晶体波导由一个横向波导和一个与该横向波导垂直相接的垂直波导构成；所述横向波导的一端为输入端，其另一端为输出端；所述的垂直波导为另一输出端；所述横向波导的中部设置有波导缺陷介质柱。本发明结构体积小，光传输效率高，便于集成而且高效，适合大规模光路集成，可以实现全偏振态整数比功率分配的功能。

Description

光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器

技术领域

本发明涉及微小光学功率分配领域,尤其涉及一种基于光子晶体技术的微小光学全偏振态整数比功率分配器。

背景技术

光子晶体波导整数比功率分配器是光子晶体集成光路中不可缺少的光无源器件，是各种光电子集成元件中不可缺少的一部分。光子晶体波导整数比功率分配器可以理想地在输出端按整数比例分配光能量，而且没有明显的反射和散射损失。尽管已有大量的光路结构试图解决固有折射率和波导特性导致的光能损失，但是很少能实现预期的效果。

目前，大部分光子晶体整数比功率分配器都是在一种偏振态（尤其是TE偏振态）的基础上设计的整数比功率分配器，有的需要添加多个介质柱，有的是按几何对称进行平均分光，有的是利用长程耦合波导（导致结构很大）。然而，无论是上面哪种形式的的光子晶体整数比功率分配器，都不能实现同时对TE、TM混合光的按整数比例分配。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种可以同时按同比例进行功率分配的光子晶体完全禁带光整数比功率分配器。

为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的。

本发明的光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器包括一个具有完全禁带的光子晶体中形成的光子晶体波导，所述的光子晶体由背景介质柱阵列构成；所述的光子晶体波导由一个横向波导和一个与该横向波导垂直相接的垂直波导构成；所述横向波导的一端为输入端，其另一端为输出端；所述的垂直波导为另一输出端；所述横向波导的中部设置有波导缺陷介质柱。

所述波导缺陷介质柱与背景介质柱均为单轴晶体，所述波导缺陷介质柱单轴晶体的正负性与背景介质柱单轴晶体的正负性相反。

所述光子晶体波导中的背景介质柱单轴晶体和缺陷介质柱单轴晶体的光轴分别平行于背景介质柱的轴线和缺陷介质柱的轴线。

所述的横向波导为光子晶体中移除1排或2排或3排或4排介质柱后的结构；所述的垂直波导为光子晶体中移除1列或2列或3列或4列介质柱后的结构。

所述的删除型点缺陷由横向波导与垂直波导连接处的两侧波导壁各删除一个背景介质柱构成。

所述的波导缺陷介质柱数量为1根或多根。

所述的光子晶体波导为碲介质四方晶格二维光子晶体波导，或蜂窝结构二维光子晶体波导，或孔状三角晶格二维光子晶体波导，或其它非规则形状二维光子晶体波导。

所述功率整数比为1:m或m:1，其中m为正整数。

所述光子晶体中的波导缺陷介质柱的轴线与波的传播方向垂直。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）实现了全偏振态功率整数比分配的功能；

（2）结构体积小，光传输效率高，适合大规模光路集成；

（3）本发明在短程通过两个点缺陷就可以完全实现全偏振态功率按整数比分配的功能，便于集成而且高效；

（4）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，可以实现对不同波长的光波功率分配的功能。

附图说明

图1是本发明光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器的结构示意图。

图中：入射波导1 上端输出波导2 右端输出波导3 删除型点缺陷4 波导缺陷介质柱5 背景介质柱6

图2是TE波入射时，两个通道的功率分配随折射率的变化。

图3是TM波入射时，两个通道的功率分配随折射率的变化。

图4是本发明在两个输出端功率比为1:1时，TE分量的模拟结果。其中E_y的方向为垂直于纸面向外。

图5是本发明在两个输出端功率比为1:1时，TM分量的模拟结果。其中H_y的方向为垂直于纸面向外。

图6是TE模式下，上、右通道的功率值随点缺陷折射率的变化。

图7是TM模式下，上、右通道的功率值随点缺陷折射率的变化。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如上述结构所示，此结构的功能是将从左方输入端输入进来的任何偏振态的波以整数比功率的形式从上方和右方端口输出。图1中的图例4为删除了一个介质柱后的波导拐角，删除的目的是允许更多能量引入上方端口，而同时减少图1中的图例5所示介质柱的回波反射，使光能量的正反射部分大大减少。作为实施例，图1中的图例5所示的波导缺陷介质柱5取为负单轴晶体，而背景介质柱6取为正单轴晶体，通过分别调控平行纸面方向的介电常数和垂直纸面方向的介电常数，来控制各偏振态的光波按相同的强度进行功率分配。

考虑将输入信号平均分，即按分光比1:1从上端口和右端口输出光，为了满足三端口瞬时耦合方程：

$\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3}---\left(1\right)$

各个方向上的耦合寿命应满足，

τ₁:τ₂:τ₃＝1:2:2       (2)

上式表明一个有趣的现象，为使两个输出端口的强度为输入信号的一半，必须要延长两个输出端口的耦合寿命τ₂,τ₃，并且使它们寿命为τ₁的两倍；同时，为了使两个输出端的强度相等，必须满足两个端口的耦合寿命相等，即τ₂＝τ₃。

为了得到合适的耦合寿命，我们假设耦合寿命是与结构函数和光频率相关的一个函数。可以写出耦合速率为：

$\begin{array}{c}{v}_m=\frac{d\left({\∫}_{\mathrm{\Ω}}(m_{+}\left(\mathrm{\ω}\right)+m_{-}\left(\mathrm{\ω}\right))\mathrm{d\Ω}\right)}{\mathrm{dt}}\\ =v_{m+}+v_{m-}\end{array}---\left(3\right)$

其中，m₊(ω)是一个波导中的缺陷形态M的加速函数，m_-(ω)是其减速函数，并且m₊(ω)＞m_-(ω)，Ω为单个缺陷形态的几何面积。最后可以得到一个加速系数v_m+和一个减速系数v_m-，即结构M中的v_m+加快耦合时间，为正值；v_m-使减缓耦合时间，为负值。那么光波通过一个结构函数为M(ω)的缺陷时的耦合寿命为：

${\mathrm{\τ}}_M=\frac{{\∫}_{\mathrm{\Σ}}M\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{d\Σ}}{v_m}---\left(4\right)$

对于单个点缺陷的耦合寿命，我们可以简化为：

${\mathrm{\τ}}_M=\frac{S_M}{v_{m+}+v_{m-}}---\left(5\right)$

其中S_M为归一化耦合面积。那么我们只要找到一些缺陷结构所具有的v_m+和v_m-特性，即可以得到所需的耦合寿命τ_M.

首先，设晶格常数为a＝1，点缺陷介质柱的半径为r＝3.2a。当输入光波为λ＝4.1a的单纯TE波时，上通道和右通道的功率分配随着缺陷介质柱折射率n＝1.2～7.2变化的分布情况如图2所示。得到当折射率为n＝1.2738或2.4402时，器件对TE波具有功率均分的效果。

接下来再研究TM模输入时的情况。同样地，结构的晶格常数为a＝1，点缺陷介质柱的半径为r＝3.2a。当输入光波为λ＝4.1a的单纯TM波时，上端口和右端口的功率分配随着点缺陷介质柱折射率n＝1.2～7.2变化的分布如图3所示。可以观察到，当折射率为n＝4.7451或6.7788时，器件对TM波具有功率均分的效果。

综合上述结果，可以设计出一种负单轴晶体介质柱。将约束TE波传播的折射率设为n_e，将约束TM波传播的折射率设为n_o，通过将表1中的不同折射率参数组合可以得到不同的点缺陷，而这些点缺陷可以达到相同的效果，即实现与偏振无关的功率均分功能。

表1

表1显示，要实现1：1的功率分配比例，简称为分光比，单轴晶体的n_e:n_o共有四种允许组合。例如，可以选择组合：n_e＝2.4402，n_o＝4.7451。将该组合参数作为负单轴点缺陷，利用有限元方法进行模拟，模拟后的结果如图4、图5所示。模拟结果表明，在同一种点缺陷作用下，无论入射的是TE波还是TM波，其功率均可以被平均分配到两个输出端，实现了与偏振无关的功率均分功能。

类似地，对于非1:1形式的整数输出比，可以通过设置缺陷的不同寻常光和非寻常光折射率得到。对于TE波，如图6所示，首先实线条代表所得到的比值是右侧端口输出功率比上方端口输出功率的，可以发现允许存在的最大比值为4:1，每种比值都可以在曲线峰两侧找到相应的折射率；而虚线条代表上方端口输出功率比上右方端口输出功率，可以发现允许存在的最大比值为14:1。两种线条上对应分光比小于5的整数比所要求的波导缺陷介质柱的折射率值如下表2所示：

表2

对于图1中的缺陷介质柱5的半径为r＝3.2a的期刊，满足折射率为上表2中任意一个值，图1所示的结构就能实现对TE输入光的相应比例分配。

我们接下来再研究TM模输入时的情况。同样地，如图7所示，同样实线条代表所得到的比值是右侧端口输出功率比上方端口输出功率的，可以发现允许的最大比值也为4:1，每种比值都可以在曲线峰两侧找到相应的折射率；而虚线条代表上方端口输出功率比上右方端口输出功率，可以发现允许的最大比值为16:1。两种线条上对应分光比小于5的整数比所要求的波导缺陷介质柱的折射率值如下表3所示：

表3

对于图1中的缺陷介质柱5的半径为r＝3.2a的情况，满足折射率为上表3中任意一个值，图1所示的结构就能实现对TM输入光的相应比例分配。

这样我们求出了晶格常数为a＝1，点缺陷介质柱的半径为r＝3.2a。当输入光波为λ＝4.1a时，TE、TM波入射，在折射率范围为n＝1.2～7.2时，各自满足1:1,2:1,3:1,4:1情况下的折射率。将表2中所得到折射率值均充当缺陷介质柱的非寻常光折射率n_e，把表3中所得到的折射率值均充当缺陷介质柱的寻常光折射率n_o，这样结合表2和表3可得到如下的表4。表4中的数值同时对TE波和TM波均具有相同的分光比的整数比功率分配器中的波导缺陷介质柱为负单轴晶体所要求的折射率值。

根据表4，对于各种所需的整数分光比，可以找到合适的负单轴晶体折射率参数组合，将这样的负单轴晶体放置到波导中指定位置（0，-0.5）后，图1所示的结构就会按既定的整数比进行分光，而且输入光的偏振方向对其分光比没有任何影响。对于其它更高比值的整数分光比，也可以通过此方法得出相应的参数值。

表4

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全偏振态整数比功率分配器，包括一个具有完全禁带的光子晶体中形成的光子晶体波导，其特征在于：所述的光子晶体包括背景介质柱阵列；所述的光子晶体波导由一个横向波导和一个与该横向波导垂直相接的垂直波导构成；所述的横向波导与垂直波导连接处的两侧波导壁各删除一个背景介质柱以形成删除型点缺陷；所述的横向波导为光子晶体中移除1排或2排或3排或4排介质柱后的结构；所述的垂直波导为光子晶体中移除1列或2列或3列或4列介质柱后的结构；所述横向波导的一端为输入端，其另一端为输出端；所述的垂直波导为另一输出端；所述横向波导的中部设置有波导缺陷介质柱；所述波导缺陷介质柱与背景介质柱均为单轴晶体，所述波导缺陷介质柱单轴晶体的正负性与背景介质柱单轴晶体的正负性相反。

2.按照权利要求1所述的光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器，其特征在于：所述光子晶体波导中的背景介质柱单轴晶体和波导缺陷介质柱单轴晶体的光轴分别平行于背景介质柱的轴线和波导缺陷介质柱的轴线。 

3.按照权利要求1所述的光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器，其特征在于：所述的波导缺陷介质柱数量为1根或多根。

4.按照权利要求1所述的光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器，其特征在于：所述的光子晶体波导为碲介质四方晶格二维光子晶体波导，或蜂窝结构二维光子晶体波导，或孔状三角晶格二维光子晶体波导，或其它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全偏振态整数比功率分配器，其特征在于：所述功率整数比为1:m或m:1，其中m为正整数。

6.按照权利要求1所述的光子晶体波导全偏振态整数比功率分配器，其特征在于：所述光子晶体中的波导缺陷介质柱的轴线与波的传播方向垂直。