CN103941337B - 基于同构二维光子晶体的y型偏振滤波分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，由单一阵列结构、具有几何弯折缺陷的二维光子晶体波导组成，具有偏振滤波和分束的作用。入射电磁波进入光子晶体波导后，利用光子晶体对电磁波不同偏振分量具有不同的光子带隙，使入射波中的TE（或者TM）偏振分量完全透射，而另一个偏振分量仍被约束在光子晶体缺陷中传播，然后在由缺陷形成的Y型路径中分为两束强度比为1:1的单偏振光输出。本发明兼具偏振滤波和分束器的功能，具有结构紧凑，偏振度高，高消光比，并可针对工作波长进行参数调节等特点。
Description
技术领域
本发明提出了基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，涉及偏振滤波、光波分束及光子晶体波导领域。
背景技术
Y波导是偏振式光学传感系统（如光纤陀螺）的核心部件。随着对高精度和微小型光学传感器的研制需要以及集成光学技术的发展，现阶段的Y波导普遍是由质子交换技术加铌酸锂晶体制成的，它的起偏器中有两条相互正交的快轴和慢轴，它的偏振作用从本质上来讲，是将互相垂直的两个偏振分量分开传播。因其消光性能有限，两个偏振光不能被完全分开，导致在传输过程中，这两束光会不断发生交叉耦合，从而产生偏振误差。如何抑制乃至消除偏振交叉耦合，达到高消光比，一直是提高Y波导乃至光学传感器性能的关键性技术问题。另外，现有Y波导所采用的铌酸锂（或钛酸锂）限制了Y波导的工作波段，仅覆盖了850nm，1300nm和1550nm等特定波段，从而限制了光源的选择。
光子晶体是一种折射率周期性变化的具有光子禁带的电介质结构，其结构尺度与光波波长相当。如果电磁波的频率落在带隙中，则该频率的电磁波不能在该结构中传播。因此，该频率的电磁波入射时将会被完全反射。不同的偏振方向具有不同的能带结构，一般来说带隙的位置也不相同，因此如果入射电磁波中的某一个偏振分量处于带隙而另一个偏振不处于带隙，则前者会被完全反射，后者完全透射，因此在透射出去的电磁波中仅仅包含一个偏振分量。同理，如果在光子晶体中引入缺陷，那么频率处在带隙中的偏振分量会被束缚在缺陷中传播，而另一个偏振分量则会全部辐射出去。
利用上述光子晶体偏振滤波的带隙效应和缺陷大角度弯折时理论上可接近无损导光的特点，为Y型波导单偏振导光的需求以达到极高的偏振消光比；同时，通过光子晶体的材料选择和介质柱半径的参数调节，基于二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器理论上可以工作于任意波段。
发明内容
为了实现Y波导的高消光比和微型化，本发明的目的是提供一种基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，具有体积小，结构紧凑，偏振度高，高消光比，可针对工作波长进行参数调节等特点。
本发明基于光子晶体的带隙结构实现去偏和导光功能。具体来说，影响光子晶体带隙的因素包括背景材料折射率，介质柱折射率，介质柱的几何形状及尺寸等。通过选择合适的参数，便可以得到使用不同工作波段的优质去偏型Y波导。
本发明的技术方案如下：
一种基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，它包括基底、柱状材料、背景材料，基底上蚀刻有规则排列的柱状材料，间隙由背景材料填充，所述的柱状材料、背景材料构成单一阵列结构、具有几何弯折缺陷；所述的基底和柱状材料由同一材料制成；所述的分束器具有偏振滤波和分束的作用。
所述分束器的截面形状是任意的。
所述的单一阵列结构是六角或正方周期性结构。
所述的背景材料为气体或液体或固体材料；所述的柱状材料为固体材料。
所述的柱状材料的横截面可为任意形状。
一种所述的分束器应用于偏振式光学传感系统。
本发明的工作原理是：光子晶体存在带隙，当入射电磁波中的某一偏振分量的频率落在该带隙中时，该偏振分量会被束缚在缺陷中传播，而另一偏振分量则沿着入射波的方向完全透射出去。并且由于光子晶体的对称结构，在缺陷中传输的偏振光会被Y型分支分成强度比为1:1的两束单偏光输出。
本发明的有益效果：本发明利用光子晶体的结构特点，对入射电磁波进行偏振滤波和光波分束，并且具有结构参数可调节的特点，通过选择不同的背景折射率，介质柱折射率，介质柱尺寸及形状等参数，可以制成对应不同工作波长的Y型偏振滤波分束器。目前已公开的文献中尚未有相似的发明设计。
附图说明
图1是二维光子晶体结构的能带示意图；
图2是本发明的一个实施例结构示意图；
图3是图2中的光子晶体的剖面图；
图4是本发明的一个实施例结构示意图；
图5是图4中的光子晶体的剖面图；
图6是本发明的一个实施例结构示意图；
图7是图6中的光子晶体的剖面图；
图中：1、柱状材料，2、背景材料，3、光子晶体阵列结构，4、光子晶体缺陷构成的几何弯折、基底5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2、4、6所示，一种基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，它包括基底5、柱状材料1、背景材料2，基底5上蚀刻有规则排列的柱状材料1，间隙由背景材料2填充，所述的柱状材料1、背景材料2构成单一阵列结构3、具有几何弯折缺陷4；所述的基底5和柱状材料1由同一材料制成；所述的分束器具有偏振滤波和分束的作用。
所述分束器的截面形状是任意的。
所述的单一阵列结构3是六角或正方周期性结构。
所述的背景材料2为气体或液体或固体材料；所述的柱状材料1为固体材料。
所述的柱状材料1的横截面可为任意形状。
一种所述的分束器应用于偏振式光学传感系统。
实施例1
本发明设计的光子晶体，其具有如图1所示的能带特征。图1中的右斜线代表的是TE带隙，左斜线代表的是TM带隙。从图中可以看到TE的带隙在210THz附近，而TM的带隙在530THz附近，这两条带隙不存在重叠区域。如果入射电磁波的频率为210THz，则它的TE偏振分量会被该光子晶体完全反射回去，仅保留TM偏振分量透射过去。同理，如果电磁波的频率为530THz，则TM偏振分量无法通过该光子晶体结构，仅TE分量可以透射过去。
如图6、7所示，这里的光子晶体是基底5为GaAs（砷化镓），背景材料2为空气，阵列结构3为正方形的GaAs（砷化镓）柱状材料1，晶格常数a＝0.58μm，柱状材料1的半径r＝0.58*0.18＝0.1044μm，该光子晶体的TM偏振带隙在193THz附近，即工作波长为1.55微米（通信波段）。当入射电磁波进入光子晶体波导后，不在带隙内的TE偏振分量在经过几何缺陷弯折4时会从波导内完全辐射出去，仅保留波长为1.55微米的TM偏振分量被束缚在缺陷内传播。
本实施例是以砷化镓为例，但是对于本领域技术人员来说，其他材料如二氧化硅等皆可应用于该设计，于此不再赘述。
实施例2
如图2、3、4、5所示，二维光子晶体波导的阵列结构3为六边形，它是由基底5（如砷化镓等）、背景材料2和介质柱材料1构成的，在波导内部有缺陷形成的弯折4。当包含TE和TM两个正交偏振分量的入射电磁波由缺陷入口入射进波导时，因为其中TM分量的频率不在光子晶体结构的带隙中，所以TM分量在遇到弯折缺陷4时会完全透射出光子晶体结构去；而TE分量的频率因为在带隙中，所以会被牢牢束缚在结构中，沿着缺陷传播。因为光子晶体的对称结构，TE分量会被Y型分支分成两束强度比为1:1的单偏光输出。
Claims (5)
1.一种基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，它包括基底（5）、柱状材料（1）、背景材料（2），基底（5）上蚀刻有规则排列的柱状材料（1），间隙由背景材料（2）填充，所述的柱状材料（1）、背景材料（2）构成单一阵列结构（3），具有几何弯折缺陷（4）；所述的基底（5）和柱状材料（1）由同一材料制成；
所述的单一阵列结构（3）是六角或正方周期性结构；
光子晶体存在带隙，当入射电磁波中的某一偏振分量的频率落在该带隙中时，该偏振分量会被束缚在几何弯折缺陷（4）中传播，而另一偏振分量则沿着入射波的方向完全透射出去；光子晶体具有对称结构，在几何弯折缺陷（4）中传输的偏振光会被Y型分支分成强度比为1:1的两束单偏光输出。
2.根据权利要求1所述的基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述分束器的截面形状是任意的。
3.根据权利要求1所述的基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述的背景材料（2）为气体或液体或固体材料；所述的柱状材料（1）为固体材料。
4.根据权利要求1所述的基于同构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述的柱状材料（1）的横截面可为任意形状。
5.一种根据权利要求1所述的分束器应用于偏振式光学传感系统。
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