CN104199143A - 基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，包括光子晶体波导、TE输出端、TM输出端及光束输入端，TE输出端、TM输出端及光束输入端呈Y型结构，光子晶体波导调节二维类石墨烯结构参数且具有完全禁带，TE输出端调节二维类石墨烯结构参数且具有TM模禁带，TM输出端调节二维类石墨烯结构参数且具有TE模禁带。本发明具有超高的偏振光消光比，解决了由于现有技术的消光性能有限导致在传输过程中产生的偏振误差问题；本发明具有光子晶体标度不变性，通过调节晶格常数使偏振分束器工作在所需波段；本发明具有同源结构，适当的处理后，作为宽频带1：1的光分束器使用，达到实现多功能光分束器的目的。
Description
技术领域
本发明涉及基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，属于光波分束及光子晶体波导技术领域。
背景技术
随着集成光路的发展，光器件对精度和尺寸的要求越来越高，传统的偏振分束器已越来越难满足人们的要求。光子晶体的出现，使得以光子晶体为基础的高精度微小光器件的设计成为可能。
光子晶体是一种在空间上折射率周期性变化，具有光子禁带特性的电介质结构，其结构尺寸可以达到光波波长量级。若光波的频率处于完全禁带中，则该频率的电磁波将不能通过具有完全禁带的结构，发生完全反射。不同的偏振方向具有不同的能带结构。因此，在设计基于光子晶体的光束偏振分束器时，可以采用电磁波中的某一个偏振态处于带隙而反射，另一个偏振态处于导带而透射，达到包含不同偏振态的光的分束。
利用上述光子晶体偏振分束原理及光子晶体光波导接近无损传播的特性，设计出偏振分束器达到超高的偏振消光比，同时可以调节光子晶体结构的参数，使基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器工作在任意波段。
现有的偏振光束分束器的消光性能有限，在传输过程中会产生偏振误差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明公开了基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器。
本发明的目的是为了实现偏振光分束器的微型化及解决如今现有的偏振光束分束器的消光性能有限导致在传输过程中会产生偏振误差的问题。本发明体积小，结构紧凑，其中偏振光束结构中不同的组成属于调节同一个结构的不同参数而获得的同源结构，原始的同源结构为二维类石墨烯结构，该偏振分束器具有超高的消光比，通过调节参数在任意波段工作的特点。
名词解释
完全禁带：又称光子禁带(Photonic Band Gap,简称为PBG)或光子能带或光子带隙，是光子晶体中的特有概念，光子晶体的特殊周期性结构，使得其对特定波长或波段的光子具有禁阻作用，形成光子带隙，类似半导体中的电子能带，将光子晶体中的光子带隙称为完全禁带。
TM模禁带：TM偏振光处于禁带无法导通，TE偏振光可以导通。
TE模禁带：TE偏振光处于禁带无法导通，TM偏振光可以导通。
本发明的技术方案如下：
基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，包括光子晶体波导、TE输出端、TM输出端及光束输入端，所述TE输出端、TM输出端及光束输入端呈Y型结构，所述光子晶体波导调节二维类石墨烯结构参数使其具有完全禁带，所述TE输出端调节二维类石墨烯结构参数使其具有TM模禁带，TM输出端调节二维类石墨烯结构参数使其具有TE模禁带，入射波通过所述光束输入端输入所述偏振分束器，TE分量通过所述偏振分束器的TE输出端输出，TM分量通过所述偏振分束器的TM输出端输出。
根据本发明优选的，所述偏振分束器的背景材料为砷化镓，所述砷化镓折射率n＝3.6。
所述光子晶体波导、所述TE输出端及所述TM输出端均包括若干正六边形砷化镓介质，所述每个正六边形介质六个角上均有圆形砷化镓介质，所述每个正六边形砷化镓介质内有空气孔，所述每个正六边形空气孔内有圆形砷化镓介质。
所述二维类石墨烯结构参数为每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径、每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度以及每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径。
根据本发明优选的，所述光子晶体波导上每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0.155a,所述光子晶体波导上每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0.0355a,所述光子晶体波导上每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数。
根据本发明优选的，所述光子晶体波导归一化频率范围为0.3885-0.4943。
根据本发明优选的，所述光束输入端垂直于入射波入射方向的宽度为1.929a、2.929a间隔排列。
根据本发明优选的，所述TM输出端的每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0，所述TM输出端的每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0.182a，所述TM输出端的每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数。
根据本发明优选的，所述TM输出端归一化频率范围为0.2612-0.4638。
所述TM输出端归一化频率范围为0.2612-0.4638，TE偏振光处于TE模禁带，TM偏振光导通。
根据本发明优选的，所述TE输出端的每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0，所述TE输出端的每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0，所述TE输出端的每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0.169a，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数。
根据本发明优选的，所述TE输出端归一化频率范围为0.2920-0.4885。
所述TE输出端归一化频率范围为0.2920-0.4885，TM偏振光处于TM模禁带，TE偏振光导通。
根据本发明优选的，所述TE输出端、所述TM输出端及所述光束输入端属于同源结构，所述TE输出端、TM输出端为可拆卸的偏振分束模块结构，拆卸TE输出端及TM输出端，构成宽频带1：1的光分束器。
此处设计的优势在于，所述TE输出端、所述TM输出端及所述光束输入端属于同源结构，契合性高，将所述TE输出端及所述TM输出端单独制作成可拆卸的偏振分束模块结构，在去除两个可拆卸的偏振分束模块结构后，成为宽频带1：1的光分束器。
上述偏振分束器的应用，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TM偏振光时，所述TM偏振光通过所述光束输入端分别到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TM偏振光到达所述TE输出端后，所述TE偏振光处于禁带，不能导通；所述TM偏振光到达所述TM输出端后，所述TM偏振光导通。
上述偏振分束器的应用，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TE偏振光时，所述TE偏振光通过所述光束输入端分别到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TE偏振光到达所述TM输出端结构后，所述TM偏振光处于禁带，不能导通；所述TE偏振光进入所述TE输出端结构后，所述TE偏振光导通。
上述宽频带1：1的光分束器的应用，具体步骤包括：
(1)入射光束通过所述光束输入端分别进入所述TE输出端所在位置及所述TM输出端所在位置；
(2)所述入射光束进入所述TE输出端所在位置时，所述入射光束导通；所述入射光束进入所述TE输出端所在位置时，所述入射光束导通。
本发明的有益效果为：
1、本发明基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器在集成光学中制作成基本器件，使光集成系统更加微型化，适合大规模的光路集成；
2、本发明具有超高的偏振光消光比，解决了由于现有技术的消光性能有限导致在传输过程中产生的偏振误差问题；
3、本发明具有光子晶体标度不变性的优点，通过调节晶格常数使所述偏振分束器工作在所需要的波段内；
4、本发明具有同源结构的特性，根据实际情况，通过适当的处理后，作为宽频带1：1的光分束器使用，达到实现多功能光分束器的目的。
附图说明
图1为本发明原始的同源结构二维类石墨烯的结构示意图；
图2为本发明光子晶体波导的结构示意图；
图3为本发明TE输出端的结构示意图；
图4为本发明TM输出端的结构示意图；
图5为本发明基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的结构示意图，其中，图中所述偏振分束器黑色部分为背景材料砷化镓，白色部分为空气；
图6为入射光束为TM偏振光时，本发明基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的场强分布示意图；
图7为入射光束为TE偏振光时，本发明基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的场强分布示意图；
图8为本发明基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器所述TE输出端及所述TM输出端分别测得的消光比示意图；
图9为本发明基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器去除所述TE输出端及所述TM输出端后变为的宽频带1:1的光分束器的结构示意图；
图10为所述宽频带1:1光分束器在归一化频率为0.44时的场强分布示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，包括光子晶体波导、TE输出端、TM输出端及光束输入端，所述TE输出端、TM输出端及光束输入端呈Y型结构，所述光子晶体波导调节二维类石墨烯结构参数使其具有完全禁带，所述TE输出端调节二维类石墨烯结构参数使其具有TM模禁带，TM输出端调节二维类石墨烯结构参数使其具有TE模禁带，入射波通过所述光束输入端输入所述偏振分束器，TE分量通过所述偏振分束器的TE输出端输出，TM分量通过所述偏振分束器的TM输出端输出。
实施例2
根据实施例1所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述偏振分束器的背景材料为砷化镓，所述砷化镓折射率n＝3.6。
所述光子晶体波导、所述TE输出端及所述TM输出端均包括若干正六边形砷化镓介质，所述每个正六边形介质六个角上均有圆形砷化镓介质，所述每个正六边形砷化镓介质内有空气孔，所述每个正六边形空气孔内有圆形砷化镓介质。
所述二维类石墨烯结构参数为每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径、每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度以及每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径。
实施例3
根据实施例1所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述光子晶体波导上每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0.155a,所述光子晶体波导上每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0.0355a,所述光子晶体波导上每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数，所述光子晶体波导的结构。如图2所示。
所述光子晶体波导归一化频率为0.3885。
实施例4
根据实施例3所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述光子晶体波导归一化频率为0.4943。
实施例5
根据实施例3或4所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述光束输入端垂直于入射波入射方向的宽度为1.929a、2.929a间隔排列。
实施例6
根据实施例5所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述TM输出端的每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0，所述TM输出端的每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0，所述每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0.182a，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数。所述TM输出端的结构如图4所示。
所述TM输出端归一化频率为0.2612。
所述TM输出端归一化频率为0.2612，TE偏振光处于禁带，TM偏振光导通。
实施例7
根据实施例6所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述TM输出端归一化频率为0.4638。
所述TM输出端归一化频率为0.4638，TE偏振光处于禁带，TM偏振光导通。
实施例8
根据实施例6或7所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述TE输出端的每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0，所述TE输出端的每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0.169a，所述TE输出端的每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数。所述TE输出端的结构。如图3所示。
所述TE输出端归一化频率为0.2920。
所述TE输出端归一化频率为0.2920，TM偏振光处于禁带，TE偏振光导通。
实施例9
根据实施例8所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述TE输出端归一化频率为0.4885。
所述TE输出端归一化频率为0.4885，TM偏振光处于禁带，TE偏振光导通。
实施例10
根据实施例8或9所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，区别在于，所述TE输出端、所述TM输出端及所述光束输入端属于同源结构，所述TE输出端、TM输出端为可拆卸的偏振分束模块结构，拆卸TE输出端及TM输出端，构成宽频带1：1的光分束器。
此处设计的优势在于，所述TE输出端、所述TM输出端及所述光束输入端属于同源结构，契合性高，将所述TE输出端及所述TM输出端单独制作成可拆卸的偏振分束模块结构，在去除两个可拆卸的偏振分束模块结构后，成为宽频带的1：1光分束器。所述宽频带1:1光分束器的结构。如图9所示。
实施例11
一种实施例1-9任一所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的应用，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TM偏振光时，所述TM偏振光通过所述光束输入端分别到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TM偏振光到达所述TE输出端后，所述TE偏振光处于禁带，不能导通；所述TM偏振光到达所述TM输出端后，所述TM偏振光导通。如图6所示。
实施例12
一种实施例1-9任一所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的应用，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TE偏振光时，所述TE偏振光通过所述光束输入端分别到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TE偏振光到达所述TM输出端结构后，所述TM偏振光处于禁带，不能导通；所述TE偏振光进入所述TE输出端结构后，所述TE偏振光导通。如图7所示。
实施例13
一种实施例1-9任一所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的应用，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TE与TM混合的偏振光时，所述TE与TM混合的偏振光通过所述光束输入端到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TE与TM混合的偏振光分别从TE输出端与TM输出端输出TE偏振光和TM偏振光，实现偏振分束器的功能，并获得超高的消光比性能。如图8所示。
实施例14
一种实施例10所述的宽频带1：1的光分束器在归一化频率为0.44时的应用，具体步骤包括：
(1)入射光束通过所述光束输入端分别进入所述TE输出端所在位置及所述TM输出端所在位置；
(2)所述入射光束进入所述TE输出端所在位置时，所述入射光束导通；所述入射光束进入所述TE输出端所在位置时，所述入射光束导通。如图10所示。
Claims (10)
1.基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，包括光子晶体波导、TE输出端、TM输出端及光束输入端，所述TE输出端、TM输出端及光束输入端呈Y型结构，所述光子晶体波导调节二维类石墨烯结构参数使其具有完全禁带，所述TE输出端调节二维类石墨烯结构参数使其具有TM模禁带，TM输出端调节二维类石墨烯结构参数使其具有TE模禁带，入射波通过所述光束输入端输入所述偏振分束器，TE分量通过所述偏振分束器的TE输出端输出，TM分量通过所述偏振分束器的TM输出端输出。
2.根据权利要求1所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器的背景材料为砷化镓，所述砷化镓折射率n＝3.6。
3.根据权利要求2所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，所述光子晶体波导上每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0.155a,所述光子晶体波导上每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0.0355a,所述光子晶体波导上每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数，所述光子晶体波导归一化频率范围为0.3885-0.4943。
4.根据权利要求1-4任一所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，所述光束输入端垂直于入射波入射方向的宽度为1.929a、2.929a间隔排列。
5.根据权利要求2所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，所述TM输出端的每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0，所述TM输出端的每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0.182a，所述TM输出端的每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数，所述TM输出端归一化频率范围为0.2612-0.4638。
6.根据权利要求2所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，所述TE输出端的每个正六边形砷化镓介质六个角上的圆形砷化镓介质半径均为0，所述TE输出端的每个正六边形砷化镓介质内空气孔之间的砷化镓介质宽度为0，所述TE输出端的每个正六边形空气孔内的圆形砷化镓介质半径为0.169a，所述a为所述基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的晶格常数，所述TE输出端归一化频率范围为0.2920-0.4885。
7.根据权利要求2所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器，其特征在于，所述TE输出端、所述TM输出端及所述光束输入端属于同源结构，所述TE输出端、TM输出端为可拆卸的偏振分束模块结构，拆卸TE输出端及TM输出端，构成宽频带1：1的光分束器。
8.根据权利要求1所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的应用，其特征在于，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TM偏振光时，所述TM偏振光通过所述光束输入端分别到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TM偏振光到达所述TE输出端后，所述TE偏振光处于禁带，不能导通；所述TM偏振光到达所述TM输出端后，所述TM偏振光导通。
9.根据权利要求1所述的基于二维类石墨烯结构的光子晶体同源结构高消光比偏振分束器的应用，其特征在于，具体步骤包括：
(1)当入射光束为TE偏振光时，所述TE偏振光通过所述光束输入端分别到达所述TE输出端及所述TM输出端；
(2)所述TE偏振光到达所述TM输出端结构后，所述TM偏振光处于禁带，不能导通；所述TE偏振光进入所述TE输出端结构后，所述TE偏振光导通。
10.根据权利要求7所述的宽频带1：1的光分束器的应用，其特征在于，具体步骤包括：
(1)入射光束通过所述光束输入端分别进入所述TE输出端所在位置及所述TM输出端所在位置；
(2)所述入射光束进入所述TE输出端所在位置时，所述入射光束导通；所述入射光束进入所述TE输出端所在位置时，所述入射光束导通。
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| ZI-GUI HUANG ET AL.: "Band Gap Effects in a Two-Dimensional Regular Polygonal Graphene-Like Structure", 《CRYSTAL STRUCTURE THEORY AND APPLICATIONS》 * |
| 郭浩等: "一种新型的光子晶体偏振光分束器的设计", 《物理学报》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112350683A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-02-09 | 武汉大学 | 类石墨烯结构的超高频谐振器 |
| CN112350683B (zh) * | 2020-11-20 | 2024-02-23 | 武汉敏声新技术有限公司 | 类石墨烯结构的超高频谐振器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104199143B (zh) | 2017-03-22 |
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