CN103941414A - 基于异构二维光子晶体的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异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，由两种阵列结构的二维光子晶体波导组成。入射电磁波在接触到滤波型光子晶体时，电磁波中的TE或TM偏振分量会被完全反射掉；保留下的偏振分量进入分束型光子晶体传播并分为两束强度比为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
本发明提出了基于异构二维光子晶体的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异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，具有体积小，结构简单，偏振度高，高消光比，可针对工作波长进行参数调节等特点。
本发明的技术方案如下：
一种基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，沿着电磁波的入射方向，它包括相邻的滤波型光子晶体和分束型光子晶体：
所述的滤波型光子晶体的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边覆盖全部入射波束和反射波束，出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束范围之外；所述的滤波型光子晶体包括滤波型基底、滤波型背景材料和滤波型柱状材料，滤波型基底蚀刻有规则排列的滤波型柱状材料，间隙由滤波型背景材料填充；所述的滤波型背景材料和滤波型柱状材料构成滤波型阵列结构；所述的滤波型基底和滤波型柱状材料使用同一材料制成；
所述的分束型光子晶体，它的整体轮廓可为任意形状，其中一边紧贴着滤波型光子晶体的出射边，内部有缺陷所构成的Y型导波光路，入射电磁波在透射过滤波型光子晶体后，从Y型缺陷的入射口耦合进分束型光子晶体，并分成强度比为:的两束单偏光输出；所述的分束型光子晶体包括分束型基底、分束型背景材料和分束型柱状材料，分束型基底上蚀刻有规则排列的分束型柱状材料，间隙由分束型背景材料填充；所述的分束型背景材料和分束型柱状材料构成分束型阵列结构；所述的分束型基底和分束型柱状材料使用同一材料制成；
所述的分束器具有偏振滤波和分束的作用。
所述的滤波型阵列结构、分束型阵列结构是六角形或正方形结构。
所述的分束型背景材料为气体或液体或固体材料；所述的分束型柱状材料为固体材料。
所述的滤波型背景材料为气体或液体或固体材料；所述的滤波型柱状材料为固体材料。
所述的滤波型柱状材料和分束型柱状材料的截面形状为任意形状。
所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器应用于偏振式光学传感系统。
本发明的偏振滤波原理是：滤波型光子晶体存在带隙，而入射电磁波中的某一偏振分量的频率落在该带隙中，于是该偏振分量会被滤波型光子晶体结构完全反射回去，而另一偏振分量则沿着电磁波入射方向完全透射出去。
本发明的光波分束原理是：分束型光子晶体存在带隙，从滤波型光子晶体机构透射过来的偏振分量的频率落在该带隙内，因此会被束缚在Y型缺陷内传输。由于光子晶体的对称结构，该偏振光会被分成强度比为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中的滤波型光子晶体波导1的剖面图；
图4是图2中的分束型光子晶体波导2的剖面图；
图中，滤波型光子晶体1、分束型光子晶体2、滤波型柱状材料3、滤波型背景材料4、分束型柱状材料5、分束型背景材料6、滤波型阵列结构7、分束型阵列结构8、滤波型基底9、分束型基底10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
本发明基于光子晶体的带隙结构实现滤波和分束功能。具体来说，空间上周期排布的光子晶体是具有能带结构的，而能带和能带之间存在带隙；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。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滤波型Y波导。
本发明设计的以砷化镓为基底材料的光子晶体，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。
当包含TE和TM两个正交偏振分量的电磁波从左侧入射时，首先会遇到滤波型光子晶体1，因为TE分量的频率落在滤波型光子晶体1的带隙内，所以TE分量会被滤波型光子晶体1完全反射回去，而TM分量则完全透射过滤波型光子晶体1，并耦合进分束型光子晶体2中。而TM偏振分量的频率落在分束型光子晶体2的带隙中，因此该分量会被束缚在Y型缺陷中传输。因为分束型光子晶体2的对称结构，TM分量会被分成两束强度比为1:1的单偏光输出。
如图2、3、4所示，一种基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，沿着电磁波的入射方向，它包括相邻的滤波型光子晶体1和分束型光子晶体2：
所述的滤波型光子晶体1的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边覆盖全部入射波束和反射波束，出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束范围之外；所述的滤波型光子晶体1包括滤波型基底9、滤波型背景材料4和滤波型柱状材料3，滤波型基底蚀刻有规则排列的滤波型柱状材料3，间隙由滤波型背景材料4填充；所述的滤波型背景材料4和滤波型柱状材料3构成滤波型阵列结构7；所述的滤波型基底9和滤波型柱状材料3使用同一材料制成；
所述的分束型光子晶体2，它的整体轮廓可为任意形状，其中一边紧贴着滤波型光子晶体的出射边，内部有缺陷所构成的Y型导波光路，入射电磁波在透射过滤波型光子晶体后，从Y型缺陷的入射口耦合进分束型光子晶体，并分成强度比为1:1的两束单偏光输出；所述的分束型光子晶体2包括分束型基底10、分束型背景材料6和分束型柱状材料5，分束型基底上蚀刻有规则排列的分束型柱状材料5，间隙由分束型背景材料6填充；所述的分束型背景材料6和分束型柱状材料5构成分束型阵列结构8；所述的分束型基底10和分束型柱状材料5使用同一材料制成；
所述的分束器具有偏振滤波和分束的作用。
如图2所示，所述的滤波型阵列结构7是六角形，分束型阵列结构8是正方形结构。
所述的分束型背景材料6为气体或液体或固体材料；所述的分束型柱状材料5为固体材料。
所述的滤波型背景材料4为气体或液体或固体材料；所述的滤波型柱状材料3为固体材料。
所述的滤波型柱状材料3和分束型柱状材料5的截面形状为任意形状。
所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器应用于偏振式光学传感系统。
Claims (6)
1.一种基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，沿着电磁波的入射方向，它包括相邻的滤波型光子晶体（1）和分束型光子晶体（2）：
所述的滤波型光子晶体（1）的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边覆盖全部入射波束和反射波束，出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束范围之外；所述的滤波型光子晶体（1）包括滤波型基底（9）、滤波型背景材料（4）和滤波型柱状材料（3），滤波型基底蚀刻有规则排列的滤波型柱状材料（3），间隙由滤波型背景材料（4）填充；所述的滤波型背景材料（4）和滤波型柱状材料（3）构成滤波型阵列结构（7）；所述的滤波型基底（9）和滤波型柱状材料（3）使用同一材料制成；
所述的分束型光子晶体（2），它的整体轮廓可为任意形状，其中一边紧贴着滤波型光子晶体的出射边，内部有缺陷所构成的Y型导波光路，入射电磁波在透射过滤波型光子晶体后，从Y型缺陷的入射口耦合进分束型光子晶体，并分成强度比为1:1的两束单偏光输出；所述的分束型光子晶体（2）包括分束型基底（10）、分束型背景材料（6）和分束型柱状材料（5），分束型基底上蚀刻有规则排列的分束型柱状材料（5），间隙由分束型背景材料（6）填充；所述的分束型背景材料（6）和分束型柱状材料（5）构成分束型阵列结构（8）；所述的分束型基底（10）和分束型柱状材料（5）使用同一材料制成；
所述的分束器具有偏振滤波和分束的作用。
2.根据权利要求1所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述的滤波型阵列结构（7）、分束型阵列结构（8）是六角形或正方形结构。
3.根据权利要求1所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述的分束型背景材料（6）为气体或液体或固体材料；所述的分束型柱状材料（5）为固体材料。
4.根据权利要求1所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述的滤波型背景材料（4）为气体或液体或固体材料；所述的滤波型柱状材料（3）为固体材料。
5.根据权利要求1所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器，其特征在于，所述的滤波型柱状材料（3）和分束型柱状材料（5）的截面形状为任意形状。
6.一种根据权利要求1所述的基于异构二维光子晶体的Y型偏振滤波分束器应用于偏振式光学传感系统。
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