CN111323874B - 一种复合结构光子晶体波分复用器件及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合结构光子晶体波分复用器件及其使用方法，属于微纳光子集成技术领域，装置包括斜方晶格的二维光子晶体结构和正方晶格的二维伦伯透镜；二维光子晶体由硅介质柱构成，硅介质柱以斜方晶格排列，硅介质柱均匀分布；二维光子晶体一侧连接二维伦伯透镜，二维伦伯透镜由正方晶格结构光子晶体构成。斜方晶格的二维光子晶体结构具有较强的色散特性，可以实现不同波长光束的角度分离。不同波长范围入射的高斯光束经过均匀型斜方晶格区域进行光束分离，再由渐变型正方晶格构成的二维伦伯透镜进行不同角度入射光束的聚焦，减少色散过程中不必要的展宽。

Description

一种复合结构光子晶体波分复用器件及其使用方法
技术领域
本发明涉及集成光子器件、光子晶体以及伦伯透镜等技术领域，特别是利用斜方晶格二维光子晶体结构与正方晶格的二维伦伯透镜结合，实现光束的角度色散与聚焦，属于微纳光子集成技术领域。
背景技术
光子晶体结构在近些年来一直集成光学方面的研究热点，在集成光子器件、光波电路等的集成化、小型化方面有重要的应用价值。光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，光在光子晶体中传播时会与光子晶体的周期结构发生相互作用，产生带隙等特殊光学现象。其次，光子晶体还具有色散特性，如超棱镜、自准直现象等。基于这些特性，人们可以利用光子晶体进行光传输过程的调控。
人们利用光子晶体的特殊色散特性进行分光设计，在实际应用中面临两个主要问题：如何减少光束在光子晶体中传播时的发散以及如何最大限度地提高光子晶体的角色散度。研究人员提出一些解决方案：一种方法是利用光束传输的相速度特性获得色散而不是群速度关系[T.Matsumoto and T.Baba,“Photonic crystal k-vector superprism,”J.Lightwave Technol,2004，22,917-922.C.Luo，M.
Figure BDA0001907696060000011
and J.D.Joannopoulos,“Superprism effect based on phase velocities,”Opt.Lett.2004,29,745-747.]。这种方法虽然光束发散度较低，但同时降低了角色散，从而降低了波长分辨率。另一种方法就是通过重新聚焦来补偿光束展宽。光束偏转和聚焦可以通过平板光子晶体单独进行，光子晶体平板超透镜收集在超棱镜效应区域中偏转的光[T.Matsumoto,S.Fujita,and T.Baba,“Wavelength demultiplexer consisting of Photonic crystal superprism andsuperlens,”Opt.Express,2005,13,10768-10776.]，或者同时在相同的光子晶体结构内结合超棱镜效应和衍射补偿[B.Momeni and A.Adibi,“Preconditioned superprism-basedphotonic crystal demultiplexers:analysis and design,”App.Opt.2006,45,8466-8476.]。这种方法的缺点是它需要长度为1mm的光束预处理区域，难以满足小型化要求。
伦伯透镜是一种圆形介质球，是一个球对称的渐变折射率镜头。典型的伦伯透镜的折射率从中心到外表面径向减小。当一束平面波入射时，经过伦伯透镜的折射可以在球面上汇聚。由于透镜内的介电常数呈对称分布，所以球面上的任一点都可以是聚焦点，这是伦伯透镜一个极大的优点。近年来，伦伯透镜应用受到了国内外广泛的关注。2012年，JohnHunt等提出使用变换光学(TO)与纳米光刻相结合产生平板伦伯透镜，实现新的光学功能结构，并证明其具有良好的聚焦效果[John Hunt,Talmage Tyler,et al,“Planar,flattenedLuneburg lens at infrared wavelengths”,Optics Express,2012,1706-1713.]。2014年，郑州大学的孙晓红,刘薇等人研究了向日葵型渐变光子晶体(GPC)并用于设计极化电场(TE)和磁场(TM)聚焦的伦伯透镜。他们的研究表明该新颖的结构具有更好的聚焦特性[Xiao-Hong Sun,Yu-Long Wu,et al“Luneburg lens composed of sun flower-typegraded photonic crystals”,Optics Communications315(2014)367-373.]。研究表明伦伯透镜具有良好的聚焦特性，一般应用于光通信器件、光路集成、天线设计等方向，目前并无与光子晶体复合的应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种复合结构光子晶体波分复用器件。主要目的是通过利用二维光子晶体特殊的色散特性和伦伯透镜良好的聚焦特性，设计一种复合结构器件，既实现色散角度较大，又解决光束在光子晶体传输过程中色散严重的问题。
本发明还提供上述器件的使用方法。
术语解释
晶格常数，指的就是晶胞的边长，也就是每一个平行六面体单元的边长，二维空间中的晶格一般有2个晶格常数，分别用a1,a2来表示。但在正方晶体结构这一特殊情形下，这2个常数都相等，故仅用a来表示。
本发明的技术方案如下：
一种复合结构光子晶体波分复用器件，包括斜方晶格的二维光子晶体结构和正方晶格的二维伦伯透镜；
二维光子晶体由硅介质柱构成，硅介质柱以斜方晶格排列，硅介质柱均匀分布；二维光子晶体一侧连接二维伦伯透镜，二维伦伯透镜由正方晶格排列的硅介质柱构成。
斜方晶格的二维光子晶体结构具有较强的色散特性，可以实现不同波长光束的角度分离。相同入射角度下入射的不同波长光束经过均匀型斜方晶格区域进行光束分离，产生不同角度色散，再由渐变型正方晶格构成的二维伦伯透镜进行不同角度入射光束的聚焦，减少色散过程中不必要的展宽。
根据本发明优选的，a1，a2是斜方晶格的晶格常数，a1＝a2＝510nm，晶格角度为75°。
进一步优选的，硅介质柱的半径r1＝0.4*a1＝204nm。
根据本发明优选的，a3是二维伦伯透镜的正方晶格结构光子晶体的晶格常数，a3＝410nm，二维伦伯透镜正方晶格硅介质柱的半径r2根据二维伦伯透镜折射率关系逐渐变化；
半径r2与二维伦伯透镜折射率的变化关系如下：
二维伦伯透镜的折射率变化公式为(Ⅰ)
Figure BDA0001907696060000031
其中，rd表示二维伦伯透镜内按正方晶格排列的每一介质柱距透镜中心的距离，R是二维伦伯透镜的半径，n为二维伦伯透镜的折射率；
二维伦伯透镜折射率和硅介质柱半径r2之间关系如公式(Ⅱ)
Figure BDA0001907696060000032
其中，ε＝n2，
Figure BDA0001907696060000033
ε是二维伦伯透镜的介电常数，f是二维伦伯透镜正方晶格介质柱的填充比，εair是背景空气的介电常数，εsi是二维伦伯透镜正方晶格介质柱的介电常数，S是单个晶格区域的面积，半径r2随二维伦伯透镜折射率n的变化关系如公式(Ⅲ)
Figure BDA0001907696060000034
进一步优选的，二维伦伯透镜的半径R＝24um。
一种复合结构光子晶体波分复用器件的使用方法，包括步骤如下，使用时，波长范围为1500nm-1600nm，束腰为4um的高斯光束以14°的入射角从斜方晶格侧入射到该器件，在此过程中光束的聚焦点在二维伦伯透镜表面，不同波长的光束聚焦在伦伯透镜表面的不同位置。
根据本发明优选的，由于不同波长的光束聚焦点位置不同，利用探测器对二维伦伯透镜表面的光束聚焦点位置进行探测。器件的特性可以通过时域有限差分法(FDTD)分析聚焦效果，即通过选择不同的材料、结构尺寸、入射光束等建立模型，在FDTD软件中获得不同波长光分离聚焦的场分布，分析是否达到预期效果。
本发明的有益效果在于：
利用本发明的结构，有效地减少了光束传输过程不必要的发散。斜方晶格的二维光子晶体具有较强的色散特性，可以实现较大的色散角度，二维伦伯透镜可以将光子晶体中传输的发散光束重新会聚，减少临近光束的串扰，实现波长分离。结构简洁紧凑，易于集成到各种光子回路中。
本申请中将伦伯透镜良好的特性引入到分光设计中，与光子晶体结构结合实现尺寸优化、达到聚焦效果，利用光路分离原理实现分光，对结构精度要求低，易于加工实现。
附图说明
图1是本申请光子晶体波分复用器件实现过程示意图。
图2是本申请复合结构光子晶体波分复用器件的模型示意图。其中，1、高斯光束，2、硅介质柱，3、斜方晶格，4、二维伦伯透镜。
图3是同一入射角度下不同波长色散角度示意图。
图4-1是特定1.53μm的波长在斜方晶格区域的传输效果图。
图4-2是特定1.55μm的波长在斜方晶格区域的传输效果图。
图4-3是特定1.59μm的波长在斜方晶格区域的传输效果图。
图5是本发明整体结构分光聚焦仿真效果图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种复合结构光子晶体波分复用器件，其具体实现结构如图1、图2所示，包括斜方晶格的二维光子晶体结构和正方晶格的二维伦伯透镜。
二维光子晶体由硅介质柱构成，硅介质柱以斜方晶格结构排列，a1，a2是斜方晶格的晶格常数，a1＝a2＝510nm，晶格角度为75°，即图中圆形点阵，硅介质柱均匀分布，均匀分布的硅介质柱的半径r1＝0.4*a1＝204nm；二维光子晶体一侧连接二维伦伯透镜，二维伦伯透镜由正方晶格排列的硅介质柱构成。
斜方晶格的二维光子晶体结构具有较强的色散特性，可以实现不同波长光束的角度分离。相同入射角度下入射的不同波长光束经过均匀型斜方晶格区域进行光束分离，产生不同角度色散，再由渐变型正方晶格构成的二维伦伯透镜进行不同角度入射光束的聚焦，减少色散过程中不必要的展宽。
a3是二维伦伯透镜的正方晶格结构光子晶体的晶格常数，a3＝410nm，二维伦伯透镜正方晶格介质柱的半径r2根据二维伦伯透镜折射率关系逐渐变化。
半径r2与二维伦伯透镜折射率的变化关系如下：
二维伦伯透镜的折射率变化公式为(Ⅰ)
Figure BDA0001907696060000051
其中，rd表示二维伦伯透镜的正方晶格内按正方晶格排列的每一介质柱距透镜中心的距离，R是二维伦伯透镜的半径，n为二维伦伯透镜的折射率，二维伦伯透镜的半径R＝24um。
二维伦伯透镜折射率和介质柱半径r2之间关系如公式(Ⅱ)
Figure BDA0001907696060000052
其中，ε＝n2，
Figure BDA0001907696060000053
ε是二维伦伯透镜的介电常数，f是二维伦伯透镜正方晶格介质柱的填充比，εair是背景空气的介电常数，εsi是二维伦伯透镜正方晶格介质柱的介电常数，S是单个晶格区域的面积。
半径r2随二维伦伯透镜折射率n的变化关系如公式(Ⅲ)
Figure BDA0001907696060000054
实施例2
一种利用实施例1所述的复合结构光子晶体波分复用器件的使用方法，包括步骤如下，使用时，波长范围为1500nm-1600nm，束腰为4um的高斯光束以14°的入射角从斜方晶格侧入射到该器件，在此过程中光束的聚焦点在二维伦伯透镜表面，不同波长的光束如图2中的λ1、λ2、λ3，聚焦在伦伯透镜表面的不同位置。
相同入射角以及工作条件下，不同波长光束在光子晶体内具有不同的色散角度和传输方向，如图3所示，该特性可用于波长选择。三个特定波长1590nm、1550nm、1530nm在斜方晶格区域的传输效果如图4-1、图4-2、图4-3所示，可以看见光束有明显不同的传输方向，并且光束宽度存在不同程度的发散，因此可以将不同波长的光束分开。由于光束宽度的快速发散，不同光束传输中会有部分重叠，减弱了光束的角度色散效应，难以实现探测。由于不同波长的光束在二维伦伯透镜表面聚焦点位置不同，利用探测器对二维伦伯透镜表面的光束聚焦点位置进行探测。通过时域有限差分法(FDTD)分析聚焦效果，即通过选择不同的材料、结构尺寸、入射光束等建立模型，在FDTD软件中获得不同波长光分离聚焦的场分布，分析是否达到预期效果。
高斯光束入射，经过斜方晶格色散，再由伦伯透镜聚焦到表面，任一波长的分光聚焦效果示意图如图5所示。图5中A处为高斯光束的入射点，从B处开始进入二维斜方晶格结构并传输，由色散效应不同波长光束具有不同的传输角度，从而对光束进行分束，然后到达C处进入二维伦伯透镜，在透镜中传输,最终在透镜表面D处形成聚焦。
利用本发明的复合结构，将伦伯透镜的良好特性引入到分光设计，使传输光束在有限的尺寸内重新聚焦到伦伯透镜边缘的不同位置，聚焦点大小约为1.5um，不同波长光束的焦点间隔为2um，探测方便。
最后，以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合结构光子晶体波分复用器件，其特征在于，包括斜方晶格的二维光子晶体结构和正方晶格的二维伦伯透镜；
二维光子晶体由硅介质柱构成，硅介质柱以斜方晶格排列，硅介质柱均匀分布；二维光子晶体一侧连接二维伦伯透镜，二维伦伯透镜由正方晶格结构光子晶体构成；
a3是二维伦伯透镜的正方晶格结构光子晶体的晶格常数，a3＝410nm，二维伦伯透镜正方晶格硅介质柱的半径r2根据二维伦伯透镜折射率关系变化；
半径r2与二维伦伯透镜折射率的变化关系如下：
二维伦伯透镜的折射率变化公式为(I)
Figure FDA0002995594420000011
其中，rd表示二维伦伯透镜内按正方晶格排列的每一介质柱距透镜中心的距离，R是二维伦伯透镜的半径，n为二维伦伯透镜的折射率；
二维伦伯透镜折射率和硅介质柱半径r2之间关系如公式(Ⅱ)
Figure FDA0002995594420000012
其中，ε＝n2，
Figure FDA0002995594420000013
ε是二维伦伯透镜的介电常数，f是二维伦伯透镜正方晶格介质柱的填充比，εair是背景空气的介电常数，εsi是二维伦伯透镜正方晶格介质柱的介电常数，S是单个晶格区域的面积；
半径r2随二维伦伯透镜折射率n的变化关系如公式(III)
Figure FDA0002995594420000014
2.根据权利要求1所述的复合结构光子晶体波分复用器件，其特征在于，a1，a2是斜方晶格的晶格常数，a1＝a2＝510nm，晶格角度为75°。
3.根据权利要求2所述的复合结构光子晶体波分复用器件，其特征在于，硅介质柱的半径r1＝0.4*a1＝204nm。
4.根据权利要求1所述的复合结构光子晶体波分复用器件，其特征在于，二维伦伯透镜的半径R＝24um。
5.一种利用权利要求1-4所述的任意一项权利要求所述的复合结构光子晶体波分复用器件的使用方法，包括步骤如下，使用时，波长范围为1500nm-1600nm，束腰为4um的高斯光束以14°的入射角从斜方晶格侧入射到该器件，在此过程中光束的聚焦点在二维伦伯透镜表面，不同波长的光束聚焦在伦伯透镜表面的不同位置。
6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于，由于不同波长的光束聚焦点位置不同，利用探测器对二维伦伯透镜表面的光束聚焦点位置进行探测，器件的特性通过时域有限差分法分析聚焦效果。
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