CN103901537B - 基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，旨在提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成而且高效，同时在十字交叉处不产生串扰的偏振光桥。它包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，光子晶体波导呈十字形状，光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。

Description

基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥

技术领域

本发明涉及微小光学偏振光桥领域,尤其涉及一种基于光子晶体技术的微小光学偏振光桥。

背景技术

传统的光桥及偏振光桥应用的是几何光学原理，因此体积都比较大，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，包括偏振光桥。架设偏振光桥的光子晶体导波光路一般通过对具有完全禁带的光子晶体引入线缺陷来构建。在偏振光控制与分离技术角度，一般通过两种方法实现：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。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把不同偏振态的光波耦合到不同的波导。通过这两种方法仅可以设计出常规的偏振器件，并不能应用其特性来设计偏振光桥，即一种可以在波导结点位置允许不同偏振态的光信号交叉导通而不相互影响的器件。另外，上述的光子晶体波导虽然其体积比传统的偏振器件小了很多，但是功能单一而且还是显得比较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成且高效的光子晶体十字红外偏振光桥。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：

本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；所述垂直TE波导中的缺陷介质柱为八个方形介质柱，水平TM波导中的缺陷介质柱为六个圆形介质柱；所述垂直TE波导的八个方形介质柱和水平TM波导的六个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同；所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。

所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，该二维光子晶体波导为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者各种非规则形状二维光子晶体波导。

所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除4排介质柱后的结构。

所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。

所述波导缺陷介质柱中的e光折射率大于o光折射率，且波导方形缺陷介质柱的光轴平行于光子晶体波导平面并与TE波的传播方向正交。

所述TM波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。

所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行和两列介质柱而形成导波波导。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

(1)结构体积小，光传输效率高，适合大规模光路集成；

(2)本发明可以短程高效地定向导通TE、TM的光波信号，在十字光桥交叉位置不产生串扰。

(3)在短程通过四个点缺陷就可以实现偏振光波定向导通的功能，便于集成而且高效；

(4)本器件与其它耦合腔模式偏振分光器件相比，具有很高消光比、偏振度高以及极低的插入损耗，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。

(5)依据其偏振选择的特性可以在既有光桥架构上实现5种不同的应用功能。

(6)本发明原理在不考虑色散或色散可以忽略的情况下，可以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光子晶体及波导结构示意图。

图中：TM光信号输入端1(左方端口1)TE光信号输入端2(左方端口2)TM光信号输出端3(右方端口3)TE光信号输出端4(上方端口4)背景碲介质柱5方形缺陷介质柱6圆形缺陷介质柱7

图2是本发明光子晶体十字红外偏振光桥的结构示意图及参数分布图。

图中：晶格常数L₁＝a波导间介质柱圆心间距L₂＝3a方形点缺陷边长L₃＝0.538a圆形点缺陷与背景碲介质柱5的距离L₄＝1.5a方形点缺陷之间距离与背景碲介质柱5的距离L₅＝a圆形点缺陷之间距离L₆＝a背景碲介质柱5的半径R₁＝0.3431a圆形点缺陷半径R₂＝0.165a

图3是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的消光比(Extinction Ratio,EXR)。

图4是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的偏振度(Degree of Polarization,DOP)。

图5是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的插入损耗(Insertion Loss)。

图6是本发明偏振光桥实现功能(1)、(3)、(4)时的光场分布示意图。

图7为图1光桥中光场分量的分布图。

图7(a)TE分量的分布图。

图7(b)TM分量的分布图。

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阐述：

如图1中所示，本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成。本器件初始信号光从左方端口1和下方端口2入射，上方端口4输出TE光波，右方端口3输出TM光波。背景碲介质柱5，光轴方向垂直纸面向外，其半径为R＝0.3431a。方形缺陷介质柱6，光轴方向与纸面平行并且平行于正方体下端面，其边长为L＝0.538a，其位置中心与对应的为形成波导所删除背景碲介质柱5的各个圆心相同。圆形缺陷介质柱7，光轴方向与背景介质柱相同，其半径为R＝0.165a，其位置中心与对应的为形成波导所删除背景碲介质柱5的各个圆心相同。

本发明的原理介绍主要针对碲介质加以解释。碲是一种正单轴晶体，在很多科学研究中，近似地认为在红外波段3.5至35微米之间碲介质是无色散的，即n_o＝4.8,n_e＝6.2。然而，鉴于更准确的把握碲光子晶体的本质特性，以及更好的为实践应用作指导，本发明中的所有研究结果都是以碲光子晶体Sellmeier色散曲线为基础而研究的。碲介质的Sellmeier色散方程为：

n_e＝[29.5222+9.3068λ²(λ²-2.5766)^-1+9.2350λ²(λ²-13521)^-1]^1/2 (1)

n_o＝[18.5346+4.3289λ²(λ²-3.9810)^-1+3.7800λ²(λ²-11813)^-1]^1/2 (2)

当e光轴与介质柱轴同向时，通过平面波展开可以得到其光子禁带。当光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，半径为0.3431a时，其光子禁带为3.893至4.223(ωa/2πc)，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的光波在各自允许传播的波导中传播，而且在波导交叉位置不会产生干扰。

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和两列介质柱而形成导波波导，其L₁＝a，L₂＝3a，背景碲介质柱5的半径R₁＝0.3431a。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：

$n_{eff}^{TE}=\frac{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{n}_e\·E_z^{2}d\mathrm{\Ω}}{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{E}_z^{2}d\mathrm{\Ω}}---\left(3\right)$

$n_{eff}^{TM}=\frac{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}{n}_o\·(E_x^2+E_y^2)d\mathrm{\Ω}}{{\∫}_{\mathrm{\Ω}}(E_x^2+E_y^2)d\mathrm{\Ω}}---\left(4\right)$

式中与分别对应TE与TM光的等效折射率，E_x，E_y，E_z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(R)与透射率(T)可以表示为：

$\begin{array}{c}{R}_{TE}={\left(\frac{n_{eff}^{TE}-1}{n_{eff}^{TE}+1}\right)}^2\\ T_{TE}=\frac{4n_{eff}^{TE}}{{(n_{eff}^{TE}+1)}^2}\end{array}---\left(5\right)$

$\begin{array}{c}{R}_{TM}={\left(\frac{n_{eff}^{TM}-1}{n_{eff}^{TM}+1}\right)}^2\\ T_{TM}=\frac{4n_{eff}^{TM}}{{(n_{eff}^{TM}+1)}^2}\end{array}---\left(6\right)$

可以通过调节介质柱的大小来确定符合R_TE≈1,T_TE≈0且R_TM≈0,T_TM≈1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缺陷介质柱7的半径为

R₂＝0.165a (7)

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R_TE≈0,T_TE≈1且R_TM≈1,T_TM≈0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缺陷介质柱6的边长为

L₃＝0.538a (8)

此时，

水平通TM波导的六个圆形缺陷介质柱7的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

L₄＝1.5a (9)

垂直通TE波导的八个方形缺陷介质柱6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碲介质柱5的距离为

L₅＝a (10)

垂直通TE波导的八个方形缺陷介质柱6的e光轴的偏置方向与其它点缺陷和背景碲介质柱5不同，其偏置方向为水平x轴。

如图1与图2所示，通TE波导端口的八个方形缺陷介质柱6中，每一个方形介质柱的中心与其对应的为形成波导所删除的圆形缺陷介质柱7的中心相同，故八个方形缺陷介质柱6各自距离为a，同时与最近背景碲介质柱5的中心距离也为a，各自边长为0.538a。八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平行，与左右边正交。

同时，在通TM波导端口的六个圆形缺陷介质柱7中，每一个圆形介质柱的中心与其所对应的为形成波导时所删除的圆形缺陷介质柱7的中心相同，故六个圆形缺陷介质柱7各自距离为a，同时与最近背景碲介质柱5中心的距离也为a，各自半径为0.165a。六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TM光信号输入端1和TE光信号输入端2的位置，光在以背景碲介质柱5阵列形成的波导中传播，TE光信号到达方形缺陷介质柱6形式的缺陷位置后，TE光信号量将全部通过，而所掺杂TM分量将全部阻隔；TM光信号到达圆形缺陷介质柱7形式的缺陷位置后，TM光信号将全部通过，而所掺杂TE分量将全部阻隔。最后TE光信号将在输出端口4位置输出；TM光信号将在输出端口3位置输出。同时，在中心交叉区域不同偏振态的光信号不互相干扰；即共用中心区域形成光路十字交叉而信号不互扰的偏振光桥。由于本结构具有偏振态选择的功能，即对不同输入的信号具有以下不同的多种功能：

(1)、当端口1的入射光信号为TM波；端口2的入射光信号为TE波时，端口1中的TM光信号经过偏振提纯后从右方端口3输出；端口2中的TE光信号经过偏振提纯后从上方端口4输出,并在十字交叉位置不产生互扰。

(2)、当端口1和端口2的入射光信号为同时含有TM和TE分量的混合波时，端口1中的TM分量将全部从右方端口3输出；端口2中的TE分量将全部从上方端口4输出；端口1中的TE波被从端口1反射回去，端口2中TM波从端口2反射回去。

(3)、当端口1和端口2的入射光信号波都仅为TM波时，来自端口1的TM波从右方端口3输出，来自端口2的TM波从端口2反射回去，而上方端口4无光信号输出。

(4)、当端口1和端口2的入射光信号波都仅为TE波时，来自端口2的TE波从上方端口4输出,来自端口1的TE波从端口1反射回去，而右方端口3无光信号导出。

(5)、当端口1和端口2的入射光信号波分别是TE波和TM波时，任何输出端口均无光信号输出。

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3.5a～35a之间，碲具有比较稳定的折射率(如考虑到色散，需要在所应用波段范围依照色散公式重新计算结构配置参数，以达到最佳参数选择的目的)。通过公式

$f=\frac{\mathrm{\ω}a}{2\mathrm{\π}c}=\frac{a}{\mathrm{\λ}}---\left(11\right)$

其中ω为圆频率，f为归一化频率，以及本发明中正方晶格碲结构的归一化禁带频率范围

f＝0.2368～0.2569 (12)

计算出相应的禁带波长范围为：

λ＝3.893a～4.223a (13)

由此可见在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，可以通过改变晶格常数a的值得到与其等比例的满足波长范围的λ值。

波导中的消光比定义为：

TE波：

TM波：

偏振度定义为：

TE波：

TM波：

插入损耗定义为：

Insertion Loss(dB)＝10×log₁₀(P_in/P_out). (18)

通过图3可以得知，当工作波长为3.947～4.223时，TE波和TM波的消光比全部大于20dB，并且在图4中可以观察到TE、TM波都具有近乎1的偏振度，同时图5中所示的插入损耗表明在此区间内所有的插入损耗都低于0.5dB。

图6为自由空间工作波长为4.05a时，根据Sellmeier方程，碲介质的寻常光折射率与非寻常光的折射率分别为n_o＝4.924与n_e＝6.368。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，经过十字交叉光桥且不互相干扰，并且具有极高的消光比和偏振度以及极低的插入损耗。同时，在模拟实验图中可以看到，横向和纵向光信号在交叉结点并不产生波形变化，极大的实现了信号的保真特性。详见图6(a)、(b)。

其中图6(a)、(b)为实现上述功能(1)时的光场模拟实验图。即入射端口1为高纯度TM光信号，入射端口2为高纯度TE光信号。图6中(a)为整个场的TE分量强度分布图，(b)为整个场的TM分量强度分布图。可以观察到，无论是TE信号还是TM信号都经过本十字光桥后几乎保持原有强度而继续传播，同时在十字交叉部分不产生任何串扰。

其中图6(c)为实现上述功能(4)时的光场模拟实验图。即入射端口1、2同为高纯度TE光信号。从图中可以看到，TE波从上方端口4导出；而右方端口3无光信号导出。

其中图6(d)为实现上述功能(3)时的光场模拟实验图。即入射端口1、2同为高纯度TM光信号。从图中可以看到，TM波从右方端口3导出；而上方端口4无光信号导出。

限于篇幅，功能(2)与功能(5)的模拟实验结果不再在此赘述，完全可以从图6实现的(1)、(3)和(4)三个功能的实验结果推论出来。

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和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。工作波长可以在不考虑色散或色散可忽略的情况下通过介质柱间晶格常数来调节。

比如，如果器件需要在5μm附近波段工作，假设不考虑工作波长调至5μm导致的色散，则可以通过式(11)将晶格常数放大1.25倍，即a＝1.25μm。此时，禁带波长范围变为4.866至5.279。本器件的光桥特性将与图6展示的结果相同。由于碲介质在3.5～35μm之间的色散趋于稳定，对归一化光子晶体禁带频率范围影响不大，因此我们可以将5μm处实际的色散条件(即n_o＝4.8657与n_e＝6.315)代入不考虑色散的放大结构中去。根据模拟实验，考虑色散后的数值仿真结果完全符合原光桥既定的功能要求。即当工作波长为5μm时，TE通路中TE波的消光比为65.71dB，偏振度为0.9999，插入损耗为0.05dB；TM通路中TM波的消光比为81.40dB，偏振度为0.9999，插入损耗为0.16dB。可见本发明具有易于灵活运用的特性。图7为上述5μm工作波长输入的情况下，在端口1与端口2(参见图1)分别输入TM、TE信号后，如图7(a)所示的光桥中TE分量的分布图以及如图7(b)所示的光桥中TM分量的分布图。

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 (7)

1.一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，其特征在于：所述光子晶体波导呈十字形状，光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；所述垂直TE波导中的缺陷介质柱为八个方形介质柱，水平TM波导中的缺陷介质柱为六个圆形介质柱；所述垂直TE波导的八个方形介质柱和水平TM波导的六个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同；所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。

2.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，该二维光子晶体波导为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者各种非规则形状二维光子晶体波导。

3.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除4排介质柱后的结构。

4.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。

5.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，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，且波导方形缺陷介质柱的光轴平行于光子晶体波导平面并与TE波的传播方向正交。

6.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述TM波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。

7.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行和两列介质柱而形成导波波导。