CN103869386A

CN103869386A - 一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置

Info

Publication number: CN103869386A
Application number: CN201410069030.8A
Authority: CN
Inventors: 赵建林; 赵晨阳; 甘雪涛; 庞燕; 刘圣
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2034-02-27
Also published as: CN103869386B

Abstract

本发明涉及一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，采用二维平板光子晶体结构，由形成于平板上的空气孔构成，该结构的多缺陷微腔是通过去掉若干个空气孔实现的，所形成的缺陷腔围绕微腔中心成对称分布，且相邻缺陷腔之间相隔一排空气孔。有益效果：通过使二维平板光子晶体中对称地缺失空气孔而引入多缺陷微腔，在平板光子晶体平面内产生共振模，在缺陷与周围空气孔交界处由于模式不匹配而导致共振光场散射。可用于许多新型光电器件的设计开发。

Description

一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置

技术领域

本发明属于半导体光电技术领域，涉及一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置。

背景技术

矢量光束是一种偏振态与波前的横向空间位置相关的特殊光波场。近十多年来，矢量光束逐渐成为光学领域研究热点之一，其独特的光场偏振态分布使其表现出诸如突破衍射极限的紧聚焦以及自旋和轨道角动量等特性，并在超高分辨成像、光学微操控、等离子聚焦等方面具有重要应用。

迄今，人们提出了多种产生矢量光束的方法，包括在激光器内直接实现以及激光腔外部调节两类。由于激光器产生的激光本征态为线偏振或者圆偏振，所以由激光器直接实现矢量光场产生的效率较低，并且需要复杂的光路调节。外部调节目前研究较多的是通过衍射光学元件和干涉法对光的偏振进行转换，但主要集中在连续介质中。

光子晶体是一种典型的亚波长周期结构，其晶格中空气孔之间的周期与传输光波的波长为同一数量级，因而可以将光子的传输、光子与物质的相互作用等控制在纳米尺度，保证了介质对光子的有效控制。如果在这种周期结构中引入适当的缺陷，则会在光子晶体的禁带中产生缺陷模，形成光子晶体微腔，利用微腔对腔模的限制作用可以实现模式的耦合和激射，增强光与物质的相互作用，为光子晶体在零阈值激光器等方面的应用提供了广阔的前景，为高密度光集成、高效光互联的实现奠定了坚实的基础。因此，如果可以在光子晶体中实现矢量光束的产生和传输，不仅可以将矢量光束的产生、传输和调控在芯片上完成，而且还有利于许多新型器件的设计开发。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，满足矢量光束研究和应用的需求。

技术方案

一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于包括半导体材料1、空气孔2和光子晶体微腔3；半导体材料1为具有厚度d的平板，平板上均匀分布若干空气孔2，缺失空气孔的部位形成光子晶体微腔3；所述光子晶体微腔3为多个，且对称分布。

所述光子晶体微腔3为三个时，三个光子晶体微腔3形成三角形的三缺陷微腔结构。

所述光子晶体微腔3为四个时，四个光子晶体微腔3形成四边形的四缺陷微腔结构。

所述光子晶体微腔3为六个时，六个光子晶体微腔3形成正六边形的六缺陷微腔结构。

所述半导体材料模式的波长范围能够覆盖近紫外到红外波段。

所述半导体材料为高介质折射率材料，包括Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。

所述Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料为硅、磷化镓或砷化镓。

所述三角晶格空气孔型光子晶体的晶格常数a与空气孔半径r之比为a:r=1:0.3。

所述半导体材料1的厚度为d=220nm。

有益效果

本发明提出的一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，采用二维平板光子晶体结构，由形成于平板上的空气孔构成，该结构的多缺陷微腔是通过去掉若干个空气孔实现的，所形成的缺陷腔围绕微腔中心成对称分布，且相邻缺陷腔之间相隔一排空气孔。所述平板所用的材料为半导体材料。所述半导体材料为高介质折射率材料，分别为Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，例如，硅、磷化镓、砷化镓等，其模式的波长范围可覆盖近紫外到红外波段。

本发明具有以下有益效果：

1、通过使二维平板光子晶体中对称地缺失空气孔而引入多缺陷微腔，在平板光子晶体平面内产生共振模，在缺陷与周围空气孔交界处由于模式不匹配而导致共振光场散射。可用于许多新型光电器件的设计开发。

2、所用器件仅仅由一块二维平板光子晶体构成，结构简单、紧凑，利于集成。采用的空气孔为圆形，这从器件加工的工艺上来说，所引入的加工误差相对较小。

3、本发明提供的这种多缺陷光子晶体微腔结构，其选用的介质材料范围广泛，可以形成波长范围覆盖近紫外到红外波段的微腔共振模式。因此能够在很宽的波段实现矢量光束的产生及应用。

4、光损伤阈值高，适合于在强激光下进行应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；其中图(a)为平板光子晶体微腔三维立体图，图(b)-(d)分别为三缺陷、四缺陷和六缺陷微腔二维截面图。

图2为微腔共振模的光场分布图；其中图(a)-(c)分别为三缺陷、四缺陷和六缺陷微腔的共振模。

图3为不同微腔共振模情况下的远场强度分布图。

图4为远场的左、右旋圆偏振分量相位分布图。

图5为三种微腔结构的矢量光束的偏振态分布图。

图中：1.半导体材料；2.空气孔；3.光子晶体微腔；a:三角晶格空气孔型光子晶体的晶格常数，r:空气孔半径，d:平板的厚度。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

由于在光子晶体中引入了多缺陷微腔，因而耦合到缺陷内的光波将受到面内布拉格反射和竖直方向全内反射作用，构成微腔共振模。在缺陷与周围空气孔交界处，由于模式不匹配而导致共振光场散射。从每个缺陷散射出来的散射远场可以表达为

E_{j} (x, y, z) = \frac{A_{j} (x_{0}, y_{0}, 0) \exp (ikR)}{R}

其中,k是波数，R=[(x-x₀)²+(y-y₀)²+z²]^1/2,j=1,2,…,N，N是缺陷数。A_j(x₀,y₀,0)∝E_j(x₀,y₀,0)μ_j,其中，E_j(x₀,y₀,0)是平板内第j个缺陷处的振幅，μ_j是单位矢量。通过对微腔结构的有效设计，使不同模式的散射光场具有不同的偏振态和相位分布，因而所形成的叠加远场具有矢量特性，这是基于多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的理论基础。

本发明实施例包括半导体材料1、空气孔2和光子晶体微腔3；半导体材料1为具有厚度d的平板，平板上均匀分布若干空气孔2，缺失空气孔的部位形成光子晶体微腔3；所述光子晶体微腔3为多个，且对称分布。

本发明实施例提出产生矢量光束的方法如图1所示，该多缺陷光子晶体微腔采用二维平板光子晶体结构，由形成于平板上的空气孔构成，该结构的多缺陷微腔是通过去掉若干个空气孔实现的，所形成的缺陷腔围绕微腔中心成对称分布，且相邻缺失空气孔位置之间相隔一排空气孔。三角晶格空气孔结构的周期为a，空气孔半径为r=0.3a，平板的厚度为d=220nm。

图2为本发明提供的多缺陷光子晶体微腔共振模的光场分布图。从图中可以看出，在每个微腔的缺陷处均具有较强的光强分布，对于不同的缺陷微腔均存在两种共振模，分别为径向和角向模式。其中箭头方向代表偏振方向，可以看出偏振态相对于中心呈非均匀分布。同时，在缺陷周围的空气孔交界处也存在光场并将造成共振模的向外散射。

图3为不同微腔共振模情况下的远场强度分布。由于偏振和相位奇点的存在，可以看到在光场中心处存在一个暗核。并且，由于不同微腔结构的对称分布和相位调制，可以看出远场显示出不同的强度分布。

图4为远场的左、右旋圆偏振分量相位分布图。可以看到，围绕中心的相位变化为2mπ，对应光场的左旋和右旋拓扑荷分别为(1,-1)，(1,-1)，(-1,1),(1,-1)，(-2,2)和(1,-1)，因此，它们均为矢量光束，合成光场的拓扑荷m分别为1，1，-1，1，-2，1。此外，可以看到相位在径向发生改变，这主要是因为涡旋相位附加了一个球面波相位引起的。

图5为由三种微腔结构产生的矢量光束的偏振态分布，其中背景颜色和线段分别表示椭圆度tanα和偏振椭圆的长轴方向。如图5(a1)-(a2)所示，偏振椭圆的椭圆度为三重旋转对称分布，主要由右旋和左旋椭圆偏振态组成。从图5(b)-(c)中可以看出椭圆度均为0，即矢量光场保持局部线性偏振。长轴的方向代表不同的偏振方向。

Claims

1.一种利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于包括半导体材料（1）、空气孔（2）和光子晶体微腔（3）；半导体材料（1）为具有厚度d的平板，平板上均匀分布若干空气孔（2），缺失空气孔的部位形成光子晶体微腔（3）；所述光子晶体微腔（3）为多个，且对称分布。

2.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述光子晶体微腔（3）为三个时，三个光子晶体微腔（3）形成三角形的三缺陷微腔结构。

3.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述光子晶体微腔（3）为四个时，四个光子晶体微腔（3）形成四边形的四缺陷微腔结构。

4.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述光子晶体微腔（3）为六个时，六个光子晶体微腔（3）形成正六边形的六缺陷微腔结构。

5.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述半导体材料模式的波长范围能够覆盖近紫外到红外波段。

6.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述半导体材料为高介质折射率材料，包括Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料。

7.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体材料为硅、磷化镓或砷化镓。

8.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述三角晶格空气孔型光子晶体的晶格常数a与空气孔半径r之比为a:r=1:0.3。

9.根据权利要求1所述利用多缺陷光子晶体微腔产生矢量光束的装置，其特征在于：所述半导体材料的厚度为d=220nm。