CN104102016B - 基于光子晶体的偏振光分束器设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光子晶体的偏振光分束器设计方法，光子晶体分束器由圆形硅柱按照六边形晶格周期性排列在基底介质空气中构成；入射光束为归一化频率Frequency为0.4717的各个波段的光，选定任意一个入射光波长λ，通过a=λ•Frequency计算可得晶格周期a；通过介质柱半径常数b=2r/a=0.25，a为晶格周期，可得圆形硅柱介质硅柱的半径r，这种二维光子晶体偏振分光器具有尺寸小，TE、TM可以实现高效大角度分离，偏振分束率高，结构简单，小范围入射光波长漂移和入射角偏差对分束效果影响小，不受温度变化的影响，稳定性好易于加工制造等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振光分束器，特别涉及一种基于光子晶体的偏振光分束器设计方法。
背景技术
光子晶体的概念最早是在1987年由美国科学家Yablonovitch和John提出的。光子晶体是由介电常数不同的材料构成的周期性微结构，其特征是存在光子禁带和光子导带。频率落在光子禁带内的光子在光子晶体中沿任何方向都无法传播。此外，光子晶体还具有负折射、超棱镜、自准直等效应，具有广阔的应用前景。光在光子晶体中的传播情况取决于其内部的能带结构。光子落在导带可以无损耗的透过，反之，落在禁带将会被反射而不能透过。禁带的位置和大小会受到某些特征参数影响。基于光子晶体的光电器件最近得到了广泛的研究开发，相较于其他的光电器件，光子晶体器件具有体积小，易于集成以及器件不受外界电磁环境影响等优点。这些特点使光电子器件的高度集成化发展成为了可能。
偏振光分束器能实现电磁波两种相互正交偏振模式的分离并沿不同的方向传播，在光通信、光存储和集成光路中发挥着重要作用。随着光纤、薄膜、蚀刻等技术的迅速发展和广泛应用，基于微光学原理的偏振分束方法得到了很好的发展。目前在偏振分束方面常用的微光学手段有Y分支、多层膜结构、缺陷法、晶体结构法、定向耦合等。这些方法都各自有自身的优点，但同时也都存在了不足与限制：基于光子晶体的定向耦合实现的偏振分束器传输损耗小，但是分束角小须在输出端引入弯曲波导，加大了器件尺寸；基于晶体结构的偏振分束器结构很紧凑可以实现器件的高层次集成，然而它的设计是复杂而耗时的，制造是比较困难和高成本的，而且其偏振分束性能依赖与结构参数和操作波长；基于多模干涉结构的偏振分束器结构简单，但长度总是很长不利于集成化。
总之，上述各种分束系统或多或少都存在着加工困难、结构复杂、集成度不高的缺陷。
发明内容
本发明是针对现在偏振光分束器结构复杂、加工苦难的问题，提出了一种基于光子晶体的偏振光分束器设计方法，这种二维光子晶体偏振器具有尺寸小，TE、TM可以实现高效大角度分离，偏振分束率高，结构简单，小范围入射光波长漂移和入射角偏差对分束效果影响小，不受温度变化的影响，稳定性好易于加工制造等优点。
本发明的技术方案为：一种基于光子晶体的偏振光分束器设计方法，具体包括如下步骤：
1）搭建基于光子晶体的偏振光分束器测试系统，包括入射光束(1)，光子晶体分束器（5），反射接收单元（6）和透射接收单元（7），从光子晶体分束器（5）出来的反射光束(2)出射之后被反射接收单元（6）接收，反射接收单元（6）与入射光束(1)位于光子晶体分束器（5）同侧；从光子晶体分束器（5）出来的透射光束（4）出射后被透射接收单元（7）接收，透射接收单元（7）与入射光束(1)位于光子晶体分束器（5）的相对两侧；
2）光子晶体分束器（5）由圆形硅柱按照六边形晶格周期性排列在基底介质空气中构成；
3）入射光束(1)为归一化频率Frequency为0.4717的各个波段的光，选定任意一个入射光波长λ，通过a=λ•Frequency计算可得晶格周期a；
4）通过介质柱半径常数b=2r/a=0.25，a为晶格周期，可得圆形硅柱介质硅柱的半径r；
5）选取入射光角度θ范围为31°～47°，采用步骤1）测试系统进行测试，入射光与光子晶体分束器入射面法线所成角度称为入射光角度θ，根据反射接收单元（6）和透射接收单元（7）接收数据，计算TE的入射消光比和TM的反射消光比均在20dB以上的b值范围，得到入射光角度为44°时，TE几乎全反而TM几乎全透，实现了TE和TM的大角度分离。
所述步骤4）的介质柱半径常数b在生产加工后精度要求为0.25±0.08。
本发明的有益效果在于：本发明基于光子晶体的偏振光分束器设计方法，根据在二维光子晶体无缺陷条件下，可以实现TE波和TM波的高效大角度分离。分束效果受入射光波长漂移和器件温度变化的影响小，而且入射光角度的小范围偏差对分束效果的影响小。利用时域有限差分法（FDTD）对这种三角晶格光子晶体偏光分束器进行数值计算，分析表明该偏振分束器具有较好分束效果性能稳定可靠。生产加工中介质柱半径允许的波动范围相对较大降低了生产加工的难度，结构简单易于产品加工等优点。
附图说明
图1为本发明基于光子晶体的偏振光分束器TE波测试示意图；
图2为本发明基于光子晶体的偏振光分束器TM波测试示意图
图3为本发明光子晶体分束器的六边形晶格周期性排列示意图；
图4为本发明入射角度44°，b=0.2研究TE的透射和反射以及TM的透射和反射随归一化频率改变的关系曲线图；
图5为本发明入射角度44°，b=0.25研究TE的透射和反射以及TM的透射和反射随归一化频率改变的关系曲线图；
图6为本发明入射角度44°，b=0.3研究TE的透射和反射以及TM的透射和反射随归一化频率改变的关系曲线图；
图7为本发明入射光角度在44°±2°范围内对于偏振分束特性图；
图8为本发明温度的变化对偏振分束特性产生的影响图。
具体实施方式
基于光子晶体禁带的偏振分束器测试主要包括入射光、光子晶体分束器、透射接收单元和反射接收单元四个部分。入射光可以是各个波段的光，由于入射光频率是归一化的不同波段仅需改变光子晶体的晶格周期即可。光子晶体分束器是由圆形硅柱按照六边形晶格周期性排列在基底介质空气中构成的光子晶体。透射接收单元设置在分数结构透射输出端，反射接收单元设置在反射输出端（入射光外侧）。
如图1、2所示基于光子晶体的偏振光分束器测试示意图，1为入射光束，入射光与光子晶体分束器入射面法线所成角度称为入射光角度θ，5为光子晶体分束器，2为反射光束，3为光子晶体内透射光束。反射光束2出射之后与反射接收单元6相连，光子晶体出射的透射光束4与透射接收单元7相连。图1和图2分别为TE波和TM波。如图3所示光子晶体分束器的六边形晶格周期性排列示意图。
由于入射光频率是归一化的，不同的波长仅需改变晶格周期a即可。将晶格周期a取为141.51um可实现波长300um太赫兹波的偏振分束，此外将晶格周期a取为0.731um可实现光通讯波长1.55um的偏振分束。本领域对入射光波长10.6um光子晶体结构有了比较成熟的研究，现以入射光波长10.6um，晶格周期a=5 um展示本设计的工作方法。
要找出一个合适的入射光角度θ和介质柱半径常数b值使得光落在TE的禁带但在TM的导带里，从而TE可以全反TM可以全透以此实现两者的高效分离。为了找出可以实现TE、TM的高效分离且b值可以承受最大范围变化的入射角度，对b值0.12～0.4角度31°～47°进行研究。计算TE的入射消光比和TM的反射消光比均在20dB以上的b值范围，可以得到入射光角度θ取44°时在b值不严格等于0.25（0.25±0.08的范围内）都能保证好的分束效果，降低了生产加工的难度。
归一化频率Frequency设置为0.4717，介质柱（Si）折射率n=3.42；介质柱半径常数b=2r/a=0.25 (r为介质硅柱的半径，a为晶格周期)；最佳入射光角度为44°入射到光子晶体分束器5，刚好位于TE的禁带范围以及TM波的导带范围内，图1中2为透射的TE光束，3为极少数透射的TE光束。图2中2为极少数反射的TM光束，3为透射的TM光束。可以得到入射角度44°，b分别为0.2,0.25,0.3时TE的透射和反射以及TM的透射和反射随归一化频率改变的关系曲线如图4～6所示。从归一化频率范围的数据可以看出，b值在0.2，0.25，0.3时均有很大的频率范围使得TE的透射消光比和TM的反射消光比都高于20dB。由于归一化频率Frequency和入射光波长λ满足a=λ•Frequency，可以得到很大的入射光波长范围能实现TE和TM的高效分束,表明该器件有很好的抗波长漂移干扰能力。
由于放置或对准有误差，导致入射角度不严格设定在最优入射角度上。就入射光角度在44°±2°范围内对于偏振分束特性的影响进行研究，可以得到输出光功率与入射光角度的关系如图7所示。由图7可以看出b=0.25入射光角度在44°±2°范围内，TE的透射和反射情况与TM呈现互补的趋势。TE几乎全反而TM几乎全透，实现了TE和TM的大角度分离。
光子晶体（硅）具有温热效应，在一定温度范围内，当温度发生变化时，介质柱折射率会发生微小变化Δn。介质折射率的变化会对器件分束效果产生一定影响，利用介质折射率的改变可间接得到输出光功率随温度的变化关系如图8所示。由图8可以看出，温度在-50℃-200℃变化时TE几乎全反而TM几乎全透，TE的透射消光比以及TM的反射消光比均在20dB以上。表明温度改变对器件分束性能的影响很小。
Claims (1)
1.一种基于光子晶体的偏振光分束器设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）搭建基于光子晶体的偏振光分束器测试系统，包括入射光束(1)，光子晶体分束器（5），反射接收单元（6）和透射接收单元（7），从光子晶体分束器（5）出来的反射光束(2)出射之后被反射接收单元（6）接收，反射接收单元（6）与入射光束(1)位于光子晶体分束器（5）同侧；从光子晶体分束器（5）出来的透射光束（4）出射后被透射接收单元（7）接收，透射接收单元（7）与入射光束(1)位于光子晶体分束器（5）的相对两侧；
2）光子晶体分束器（5）由圆形硅柱按照六边形晶格周期性排列在基底介质空气中构成；
3）入射光束(1)为归一化频率Frequency为0.4717的各个波段的光，选定任意一个入射光波长λ，通过a=λ•Frequency计算可得晶格周期a；
4）分别就入射光角度θ由31°～47°采用步骤1）测试系统进行测试，入射光与光子晶体分束器入射面法线所成角度称为入射光角度θ，根据反射接收单元（6）和透射接收单元（7）接收数据，计算TE的入射消光比和TM的反射消光比随着介质柱半径常数b值变化，以满足TE入射消光比和TM反射消光比均在20dB以上的b值范围大作为遴选条件，可得入射光角度为44°时满足消光比均20dB要求的同时，b值范围达到最大加工范围0.25±0.08；
5）以b值0.25，此外在既定的入射光角度44°基础上正负偏差2°作为角度研究范围，采用步骤1）测试系统进行测试，计算TE的入射消光比和TM的反射消光比，得到以b值0.25，入射光角度在44°±2°均能满足设计要求。
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