CN1093266C - 二维光子晶体偏振器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种二维光子晶体偏振器及其制备方法。现有的偏振器有工作频率范围小、尺寸大、偏振度及透光率较低等缺点。本发明用两种介电材料组成二维重复周期结构，既将介电棒放入不同的介电背景材料中构成二维周期结构。选择适当的介电棒尺寸与重复周期长度及合适的介电棒与背景材料的介电常数配比，可得到所需工作频率的偏振器。本发明所用的介电材料范围广，制作成本低。由本发明制得的偏振器有偏振度高、透光率高、工作频率范围宽、尺寸小适合集成光学需要等优点。

Description

二维光子晶体偏振器及制备方法

本发明涉及二维光子晶体偏振器。

偏振器是把非偏振光变成偏振光的器件。传统偏振器一般有：

1.利用二向色性。某些晶体对不同偏振方向的光有选择的吸收，光在透过这种晶体做成的偏振器后，会使某一偏振方向的光吸收较多，而另一偏振方向的光有较多透过，从而得到偏振光。如电气石就是典型的具有二向色性的晶体。这种晶体得到的偏振度不太高，透光率也比较低。

2.利用两种媒质分界界面上布儒斯特角下的反射得到偏振光。这种方法的主要缺点在于：入射角一定要是布儒斯特角，而且布儒斯特角对不同的波长是不同的。因此，严格说来，只有对一种波长的光有效；如果偏离布儒斯特角，偏振度是比较差的。

3.利用单轴双折射晶体对o光和e光折射率的差异，可获得沿不同方向出射的两种偏振光。典型的如尼科尔棱镜。它对入射角的范围有限制，超过这个范围就失效。

4.人工制造的具有二向色性的膜片。在处于拉伸状态下的聚合乙烯醇膜上蒸镀一层硫酸碘奎宁晶粒，使晶粒沿着膜的拉伸方向整齐地排列起来，这样制成的膜片具有很强的二向色性。基本原理与1相同。

本发明的目的是寻求一种透光率高、工作频率范围宽、偏振度高、尺寸小且制作方便的可以用在集成光学上的偏振器。

本发明基于光子晶体理论，完全不同于上述的各种原理。光子晶体是80年代末才提出来的新概念和新材料(J.Opt.Soc.Am.B10，1993)，其基本思想是：同半导体中的电子一样，光在周期性的介电结构中传播时，由于周期结构带来的影响，也会形成频带结构；带与带之间可能存在带隙。如果光的频率正好处在带隙中，具有这种频率的光是无法在该种结构中传播的。这时，只有反射，没有透射。

非偏振光可以分解为电场平行于二维周期面(TE波)和电场垂直于二维周期面(TH波)的两个分量。二维周期结构的光子晶体具有特殊的性质：TE分量和TH分量互不耦合。TE波和TH波有各自的带结构和带隙。适当选取结构和介电材料，可以使TE波正好处在TH波的带隙里，这时，TE波有很大的透射，而TH波不能透射；或者可以使TH波正好处在TE波的带隙里，TH波有很大的透射，而TE波不能透射。这种产生偏振光的原理与传统方法的原理完全不同，是一种全新的产生偏振光的原理。如图1所示。

本发明基于如上所述原理，将介电棒放入另一种介电背景材料构成具有二维周期重复性的结构，如图2和图3所示。棒长为(2～20)a，a为重复周期单位长度，重复周期在二维面上重复2～30次，介电棒截面尺寸d和重复周期单位长度a之比，即d/a＝0.2～1.5，介电棒的介电常数ε与背景介电材料的介电常数ε_b之比，即2＜ε/ε_b＜20和0.05＜ε/ε_b＜0.5两个范围之内，介电棒一端或两端固定即可。

需要指出的是，介电棒可以是空气，这时对应的是在一种介电材料上打上周期性的孔，如图7所示。介电棒的截面可以为不同形状，但从制作的角度，选取圆形或正方形更方便。图2和图3所示的结构是正方结构，但其它结构，如六角、长方多角也可。

本发明指出：可以选取合适的介电材料和合适的二维结构，例如取图2和图3所示的二维结构。介电棒为圆柱体，截面尺寸即直径为d，介电常数为ε，周围背景为介电常数ε_b的材料，体系在x和y方向具有周期性重复性，a为一个重复周期单位长度。介电棒的一端或两端用底版固定，如粘接、焊铆均可。

采取如图2和图3所示的结构，介电棒的介电常数ε取为14.0，背景材料的介电常数ε_b取为1.0，即空气；介电棒的直径d取为0.5a。光沿着y方向入射。沿x和y方向的周期重复10次，即沿x和y方向介电棒的数目都为10根。棒的长度选取要远大于重复周期长度a，这里选取棒长是10a根据光子晶体理论计算得到沿y方向入射光有如图4所示的带结构。图中频率采用约化单位c/a，其中c为真空中的光速。在约化频率0.20～0.34内TH波存在带隙。如果入射光的频率在这个范围内，TE波可以传播，而TH波将被完全反射，于是出射光将是很好的偏振光。

这个结构的光子晶体偏振器的偏振度和透射率如图5和图6所示。在约化频率0.2～0.34范围内，不仅偏振度很高，达99％以上，而且透射率也非常大，大部分在90％以上，最小的也有80％。

介电棒和背景材料可以是空气、无机材料和有机材料，如玻璃材料(有机或无机玻璃)，半导体材料(硅、锗、砷化镓等)，聚四氟乙烯，聚乙烯等。

我们可以用介电棒来构成二维周期结构，也可用钻孔或刻蚀的办法来构成二维周期结构，如图7所示。制作二维光子晶体偏振器时，可以采用半导体材料，也可用其它介电材料，如玻璃材料、高分子材料。

上面给出的例子是比较优化的介电参数和结构参数配比的情况。研究表明，在介电常数配比及结构参数很大的范围都可得到所需的性质。介电棒截面处尺寸与重复周期单位长度a之比可以在如下范围：d/a＝0.2～1.5。介电棒的介电常数ε与背景介电材料的介电常数ε_b之比可以在如下的范围：2＜ε/ε_b＜20或0.05＜ε/ε_b＜0.5。重复周期单位长度的范围为：a＝1μm～10mm。

从理论上讲，重复周期越大越好。但从实际制作角度来看并非如此。因为周期越多造成的二维周期的不均匀性就越大。所以，重复周期选取的范围为2～30次。介电棒的长度从理论上讲也是越长越好。越长意味着要保持平直和尺寸均匀就很困难，因此，棒长一般选取范围为(2～20)a，a为重复周期长度。

这种偏振器还有一个明显的优点：只要调整结构周期单位长度a，可使偏振器适用于从可见光到毫米波段，而基本保持偏振度、透射率和频宽与中心频率之比不变。这是光子晶体偏振器所具有的特殊之处，是传统偏振器所没有的。如采用图2和图3的例子，选取a＝0.1μm，得到光子晶体偏振片的工作频率范围在60～100THz；若a＝1μm，得到光子晶体偏振片的工作频率在6～10THz；若a＝10μm，得到光子晶体偏振片的工作频率在0.6～1THz；若a＝1mm，得到光子晶体偏振片的工作频率在60～100GHz。所有的这些偏振器的频宽与中心频率之比达到47％。

本发明提出一种全新的、不同于传统方法的制作偏振器的原理以及制作方法。本发明基于光子晶体的原理，采用具有二维周期结构的介电材料制作偏振器。选取合适的二维结构和介电材料，不仅可使器件具有很高的偏振度和透射率，而且具有很宽的工作频段。这种偏振器有一个优异的特点，即改变结构的周期单位长度，可以线性地改变中心频率，而保持偏振度、透射率和带宽与中心频率之比不变。此外，这种偏振器的体积非常小，非常适合先进的集成光学的需要。这是传统偏振器不能做到的。

图1是二维光子晶体结构的一种带结构，TH和TE频带各有一个带隙，这两个带隙不重合。图2是二维正方结构光子晶体偏振器的立体图。介电棒的介电常数为ε，背景的介电常数为ε_b，介电棒的尺寸即直径为d，它们之间的距离，即结构周期单位长度为a。图3是上图的俯视图。图4是二维光子晶体偏振器TE和TH分量的带结构。频率为约化单位c/a，c是真空中的光速。图5是图2和图3所示的二维光子晶体偏振器的偏振度图6是图2和图3所示的二维光子晶体偏振器的透射率。图7是硅片制作的二维光子晶体偏振器的俯视结构图，阴影部分代表硅基，圆形代表被刻蚀的空气介电棒。图8是偏振度与波长的关系。

实施例一：

采取如图2和图3所示的二维正方结构，介电棒的介电常数ε取为14.0，背景材料的介电常数ε_b取为1.0，即空气。沿x和y方向的周期重复10次，即沿x和y方向介电棒的数目都为10根。介电棒的一端用底版固定，粘接牢固即可。重复周期单位长度a＝1μm；介电棒的直径d＝0.5a＝0.5μm。棒的长度选取要远大于重复周期长度a。这种二维光子晶体的带结构如图4；偏振度和透射率如图5和图6所示。这样得到光子晶体偏振片的工作波长在3～5μm，在这个波长范围内，偏振度非常高，而且透光率也很大。

实施例二：

用光助电化学刻蚀方法(Appl.Phys.Lett.68，747[1996])可以在硅衬底上刻出具有正方周期结构的圆柱型空洞，如图7所示。在x和y方向都各有空洞10个。若结构周期单位长度a＝0.3μm，空洞的直径取d＝0.8a，空洞的长度为10a这样便可做成一个高偏振度，频宽与中心频率之比很大的红外偏振器，偏振度与波长的关系如图8所示。工作频段为1.4～1.8μm。

Claims (5)

1.一种二维光子晶体偏振器，其特征在于是两种不同介电材料组成具有周期性的二维结构，两种不同介电材料是介电棒和背景介电材料，棒长为2a～20a，a为重复周期单位长度，a的范围是0.1μm～10mm，重复周期在二维面上重复2～30次，介电棒截面尺寸d和重复周期单位长度a之比d/a＝0.2～1.5，介电棒的介电常数ε与背景介电材料的介电常数ε_b之比在2＜ε/ε_b＜20或0.05＜ε/ε_b＜0.5两个范围之内，介电棒是固定的。

2.根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振器，其特征在于介电棒的截面是圆形、正方形、长方形、六角或多角结构。

3.根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振器，其特征在于介电棒和背景材料可以是空气、无机材料和有机材料。

4.根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振器，其特征在于介电棒和背景材料可以是半导体材料、玻璃材料和高分子材料。

5.一种二维光子晶体偏振器的制备方法，其特征在于将介电棒和背景材料按周期性的二维结构排列，介电棒长是2a～20a，a是重复周期单位长度，a的范围是0.1μm～10mm，重复周期是2～30次，介电棒截面尺寸是d，d/a＝0.2～1.5，选择介电棒的介电常数ε与背景材料ε_b之比是ε/ε_b＝2～20或0.05～0.5，将介电棒的一端或两端固定即可。

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