CN1668948A - 光子晶体光波导 - Google Patents
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Abstract
一种光子晶体光波导，包括：一个光波导部分，具有用一种在至少一个与被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性折射率、并在被传导光的传播方向上具有统一折射率的光子晶体制造的纤芯；一个包层，设置为靠近或者接触到该纤芯的一个入射面、用于将该被传导光约束在纤芯中；以及一个入射侧相位调制部分，设置为很靠近或者接触到该纤芯的一个入射面。
Description
发明领域
本发明涉及使用光子晶体的光波导。
技术背景
近年来，关于称作多孔光纤(holey fibers)或者光子晶体光纤的新型光纤的研发取得了很大的进步。在常规的光纤中，利用简单的折射率差异将光约束在纤芯部分。相反，这些新型光纤的特点在于在它们的横截面上具有复杂的二维结构。例如，通过在包层部分排列孔洞而减小包层部分的有效折射率，以在包层部分和纤芯部分之间形成折射率差异，从而可以将光约束在纤芯部分中。或者，通过构造光子晶体的包层部分而在纤芯部分中形成对于被传导光的光子能带隙(photonic band gap)，从而可以将光约束在纤芯部分中。利用这样的方法构成光纤。
利用多孔光纤和光子晶体光纤的结构有可能显著改变它们的特性，从而提出了诸如具有递增波长色散的色散补偿光纤、具有较大非线性效应的光纤以及在可见光谱具有零色散的零色散光纤的应用。并且，利用例如加热并拉伸大量捆扎在一起的石英管可以制作复杂的二维结构(参看例子“O Plus E”，vol.23，No.9，p1061，2001)。
在目前提出的多孔光纤和光子晶体光纤中，被传导光使用0阶模的单模传播在纤芯部分中传播。在单模传播中，折射率相对于频率的变化非常小。因此，不可能获得群速度反常或者色散很大的特性。因此，虽然单模传播是防止由于多模传播引起的波长色散的必要条件，但是同时它也对纤芯的截面区域和光纤的性能造成了严格的限制。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中的问题以及提供一种能够传播所希望能带的传播光的光子晶体光波导。
根据本发明的光子晶体光波导包括一个光波导部分，具有由光子晶体制造的纤芯，纤芯具有至少一个与被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性的折射率的结构，并且在被传导光传播方向上具有统一的折射率，并设置了与纤芯接触的包层，用以将被传导光约束在纤芯中，并设置了很接近于或者接触纤芯入射面的入射侧相位调制部分。
附图简述
图1为示出了一维光子晶体的剖视图；
图2为示出了在一维光子晶体中TE偏振光的光子能带结构的能带图；
图3为示出了在一维光子晶体中TM偏振光的光子能带结构的能带图；
图4为示出了光子晶体光波导构造的透视图；
图5为示出了使用二维光子晶体的光纤构造的透视图；
图6为示出了在一维光子晶体中沿着Z轴方向的第一级能带传播光的电场强度的示意图；
图7为示出了在一维光子晶体中沿着Z轴方向的较高级能带传播光的电场强度的示意图；
图8为示出了根据本发明一个实施例的光子晶体光波导构造的剖视图；
图9为示出了在根据本发明一个实施例的光子晶体光波导中被传导光在Z轴方向的电场强度的示意图；
图10为示出了在根据本发明的另一个实施例的光子晶体光波导中的电场的示意图；
图11为根据本发明的另一实施例的光子晶体光波导的剖视图；
图12为根据本发明的另一实施例的光子晶体光波导的剖视图；
图13A和13B示出了一维光子晶体的能带图，其中两种交替不同的材料以相同的厚度互相层叠；
图14A和14B为具有一种多层结构的二维光子晶体的示意图；
图15为根据本发明一个实施例的光子晶体光波导的透视图；
图16为示出了根据本发明一个实施例的补偿相位差的光波导元件的透视图；
图17为根据本发明一个实施例的光子晶体光纤的示意图；
图18为根据本发明一个实施例的同心圆形光子晶体光纤的示意图。
发明详述
根据本发明一个实施例的光子晶体光波导能够传播具有特定较高阶光子能带的波。因此，能够高效地利用该光子晶体的功能。
在根据本发明优选实施例的光子晶体光波导中，纤芯中的光传播方向上有一个光子能带，入射侧相位调制部分对入射的被传导光进行相位调制，并让其通过光波导部分的纤芯传播，并且纤芯将经过调相的被传导光的全部或者至少一半的能量作为与所述光子能带的较高阶光子能带相联的波而传播。因此，由于可以使第一阶能带传播光在纤芯中传播，因此较高阶能带传播光具有较少损耗。因此，例如，可以利用光子晶体光波导作为色散补偿元件或者光延迟元件。
入射侧相位调制部分可以是具有与纤芯折射率周期相适应的折射率周期的相位光栅。
入射侧相位调制部分可以具有与纤芯结构相同的相位光栅，并与纤芯具有相同的折射率周期。
最好通过将纤芯入射面侧附近的末端部分切下而隔开入射侧相位调制部分。这样，可以容易地制造该入射侧相位调制部分。
并且，该纤芯可以允许与来自调相后被传导光的最低阶的第二耦合光子能带相联的波传播。
此外，该光子晶体光波导最好还包括出射侧相位调制部分，其设置为很靠近或者接触到被传导光出射的纤芯出射面。这样，从该纤芯出射的光能够变为平面波。
此外，出射侧相位调制部分可以具有将从纤芯出射面出射的光转变为平面波的结构。
出射侧相位调制部分可以是具有与纤芯折射率周期相适应的折射率周期的相位光栅。
出射侧相位调制部分可以是与纤芯结构相同的相位光栅，并与纤芯具有相同的折射率周期。
出射侧相位调制部分最好是通过切下纤芯出射面侧附近的末端部分而隔开的一部分。这样，可以容易地制造该出射侧相位调制部分。
同样，由光子晶体制造的包层最好在至少一个与被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性的折射率，并且在被传导光传播方向上具有统一的折射率。这样，即使当纤芯的有效折射率较低的时候也能够防止光从纤芯泄漏。
该纤芯可以包括具有非线性光学效应的活性材料。这样，有可能提供一种具有较大非线性光学效应的光学元件。
该纤芯可以由在一个或者两个与被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性折射率并在被传导光传播方向上具有均匀折射率的多层膜结构构成。
该光学波导部分最好具有截面基本为圆形的纤维形状，并且纤芯为其周围形成有包层的纤维形状，并且纤芯和包层在被传播光的传播方向上具有统一的折射率。这样，例如，就有可能提供一种纤维形状的色散补偿元件或者光学延迟元件。
纤芯和包层的折射率周期可以是关于光波导部分中与被传导光的传播方向平行的中心轴对称的。
该光波导部分最好包含截面基本为圆形的纤维形状均匀材料，在均匀材料中沿着其纵向形成有大量的孔洞，形成的大量孔洞关于该光波导部分中心轴对称，该中心轴平行于被传导光的传播方向。这样，例如，就有可能提供一种纤维形状的色散补偿元件或者光学延迟元件。
部分或者全部的孔洞都可以填充有液体材料。孔洞中可以填充丙烯酸单体作为液体材料，并用UV光从外部照射以聚合成丙烯酸聚合物。
该光波导部分的横截面上的折射率可以周期性地变化并关于到光波导中心轴的距离形成同心圆，该中心轴与被传导光的传播方向平行。
以下是本发明实施例的详细说明。
首先，说明在光子晶体中光的传播。图1为示出了一维光子晶体1的剖视图。在图1中，Z轴方向为光传播的方向，Y轴方向是与光传播方向垂直的方向。该一维光子晶体1只在Y轴方向具有折射率的周期性。更具体的说，在Y轴方向上，具有不同折射率的材料5a和材料5b互相交替地层叠，由此形成多层结构5。在光传播方向上(Z轴方向)的折射率是统一的。材料5a的厚度为tA，它的折射率为nA。类似地，材料5b的厚度为tB，它的折射率为nB。因此，利用这些彼此层叠的结构，该光子晶体1具有了周期为“a”的多层结构。此周期a为(tA+tB)。
在图1中，该一维光子晶体1包括纤芯，和设置在其周围作为包层的空气(在该附图中没有示出)，因此构成了一个光波导。真空中波长为λ0的平面波作为入射光2从作为纤芯的一维光子晶体1的一个侧面1a入射，作为被传导光4穿过一维光子晶体1的材料5a和材料5b传播，并作为出射光3从与侧面1a相对的侧面1b出射。在这种情况下，在一维光子晶体1中，光的传播方式可以通过计算和画出光子能带确定。例如，能带计算的方法在“Photonic Crystals(光子晶体)”Princeton University Press(1995)以及Physical Review(物理学评论)vol.B 44，No.16，p8565，1991中有详细描述。
利用上述的能带计算，计算出图1所示的一维光子晶体1的光子能带。该计算是在假设Y轴方向(分层方向)的折射率周期结构无限连续，并且各层在X轴和Z轴方向(层面延伸的方向)无限延伸的情况下进行的。
图2为示出了图1中一维光子晶体中的TE偏振光的光子能带结构的能带图。并且，图3为示出了图1中一维光子晶体中的TM偏振光的光子能带结构的能带图。应该注意，材料5a的厚度tA和折射率nA以及材料5b的厚度tB和折射率nB具有以下注出的数值，其中厚度tA和tB用周期a(a＝tA+tB)表示。
nA＝1.44 tA＝0.5a
nB＝2.18 tB＝0.5a
在周期a的多层结构5中，材料5a和材料5b交替层叠，利用平面波方法对Z轴方向(对X轴方向相同)进行计算，得到从第一到第三能带的计算结果，显示在图2和3中。此处，TE偏振光为电场指向X轴方向的偏振光，TM偏振光为磁场指向X轴方向的偏振光。
图2和3的横轴表示一维光子晶体1中Z轴方向的波矢量kz大小，纵轴表示归一化频率。归一化频率以ωa/2πc的形式给出，其中ω为入射光的角频率，a为多层结构5的周期，且c为真空中的光速。归一化频率可以利用入射光2在真空中的波长λ0表示为a/λ0。下面，归一化频率表示为a/λ0，在图2和3中也用这种方式表示。一维光子晶体1在Z轴方向不具有折射率周期而是具有统一的折射率，使得图2和3的横轴可以无限扩展而没有布里渊区域边界(Brillouin zoneboundary)。
图1中，如果入射光线2的真空波长为λA，则在一维光子晶体1中有相应于最低阶第一能带的波矢量kA1。换句话说，被传导光4为波长λA1＝2π/kA1的波，穿过光子晶体光波导1在Z轴方向上传播。下面被传导光4在这种情况下被称为“第一能级传播光”。
现在，如果真空波长为λB的入射光2入射到一维光子晶体1上，则有相应于第一和第三能带的波矢量kB1和kB3。应该注意，第二能带关于在Z轴方向的传播是“非耦合的”，使其可以忽略。因而，波长为λB1＝2π/kB1的第一能级传播光的波和波长为λB3＝2π/kB3的第三能级传播光的波，在Z轴方向穿过一维光子晶体1传播。不是最低阶能带(第一能带)的耦合能带的光，例如图2中的第三能带光，在下面一般称为“在较高阶能带传播的光”。一般地，第二能带和第三能带中的一个是耦合的，另一个是非耦合的，并且第一能带是耦合的。非耦合能带理论的详细解释可以在K.Sakoda的“Optical Properties of PhotonicCrystals(光子晶体的光学特性)”，Springer-Verlag(2001)中找到。
前面是参照图2对于TE偏振光的说明，但是，如从图3所看到的，对于TM偏振光，该关系与对于TE偏振光的关系相似，使得省略了进一步的说明。
这里，通过将真空中的光波长(λA，λB等)除以在一维光子晶体中相应的波长(λA1，λB3等)得到的数值定义为“有效折射率”。正如从图2和图3中可以看到的，第一能带光的归一化频率a/λ0(纵轴)和kz(横轴)基本上成比例，使得有效折射率基本不会关于入射光的真空波长变化而变化。然而，对于在较高阶能带上传播的光，有效折射率的变化相当程度上依赖入射光的真空波长，并且有效折射率可能降到低于1，如从图2和3可以看清。
众所周知，在图2和3中示出的能带图中，能带曲线对kz求导(即能带曲线的切线斜率)所获得的值为被传导光4的群速度。对于第二和更高阶的较高阶能带，当kz值变小时，切线的斜率快速变小，并且在kz＝0处，切线的斜率变为零。这是由于群速度异常造成的，是光子晶体中的一种特征现象。光子晶体中的群速度异常非常大，并且导致了与普通均匀材料相反的色散。这就是说，在光子晶体中，随着入射光波长的增大，群速度减小。因而，如果利用在较高阶能带上传播的光的光波导或者光纤使用光子晶体制造，则它可以在光通信中作为一种光延迟元件或者色散补偿元件使用。
图4为示出了光子晶体光波导17的结构的透视图，光子晶体波导是一个使用了一维光子晶体15的光波导元件。该一维光子晶体15置于衬底14上，使均匀光波导16置于其两端，并且该一维光子晶体15被这些均匀光波导16夹在中间。该一维光子晶体15作为纤芯，而通过空气和衬底14提供包层。在图4中示出的光子晶体光波导17是用一维光子晶体15构成的光波导元件。应该注意，在图4中，光传播的方向为Z轴方向。
入射光12入射到光子晶体光波导17的一端。该入射光12耦合进入均匀光波导16，并从均匀光波导16耦合进入一维光子晶体15，光在纵向(Z轴方向)传播，并作为发射光13从光子晶体光波导17的另一端出射。当该光是较高阶能带传播光时，则在该一维光子晶体15中该较高阶能带传播光会发生群速度异常。因此，例如，该光子晶体光波导17可以作为一个光学延迟元件使用。
图5为示出了使用二维光子晶体的光纤21的结构的透视图。该光纤21为圆柱形状，光在其轴向传播。该光纤21设置有纤芯22和形成在纤芯22周围的包层23。该纤芯22是在光的传播方向上(Z轴方向)具有统一折射率，并在X轴和Y轴方向上具有周期性折射率的二维光子晶体。该包层23不是用光子晶体，而是用普通均匀材料制造。在具有这种结构的光子晶体21中，对于在折射率统一的二维光子晶体纤芯22中的方向上传播的光，给出了与对于上述一维光子晶体的类似能带图。因此，如果例如较高阶能带传播光穿过由此二维光子晶体构成的纤芯22传播，则该光纤21可以用于获得强色散补偿效应的光纤。
然而，当将如图4和5所示的采用光子晶体光波导17或者光纤21作为较高阶能带传播光的光波导或者光纤使用的时候，存在一些问题。从图2和3中清楚的看到，如果较高阶能带传播光传播，第一能带传播光也总是在传播。当试图利用较高阶能带传播光时，该第一能带传播光导致能量的损耗，并导致了入射光利用效率的明显下降。并且，该第一能带传播光与在较高阶能带上传播的光相比，具有不同的群速度，使得存在信号经受较大波长色散的问题。
并且，在图1中，在光从一维光子晶体1出射的端面1b上露出在Y轴方向和X轴方向具有周期性的折射率结构。因而，较高阶能带传播光自身在强度和相位上也是周期性的，使得发射光3混合了不同阶和方向的衍射光。结果，发射光3难以控制。
此外，当较高阶能带传播光的有效折射率变为低于接触一维光子晶体1的周围介质(包层)的折射率的时候，则被传导光4泄漏到包层中。因此，光不能在该一维光子晶体1的纤芯中传导。尤其是当较高阶能带传播光的有效折射率小于1时，即使当包层为空气时，也存在无法阻止的光泄漏问题。
图6和7示出了当平面波从图1中的一维光子晶体1的端面1a入射纤芯的情况下，被传导光4在一维光子晶体1中Z轴方向上的电场强度。图6为示出了在图1中显示的光子晶体1中Z轴方向上第一能带传播光的电场强度的示意图。图7为示出了在图1中显示的光子晶体1中Z轴方向上较高阶能带传播光的电场强度的示意图。该光的电场强度用波的形式描述。该电场的波峰4a表示为实线，该电场的波谷4b表示为虚线。并且，通过这些线的粗度表示出幅度大小，越粗的线代表越大的幅度。应该注意，该被传导光的波长为λ。
如图6所示，尽管第一能带传播光在材料5a中的电场幅度与在材料5a中的电场幅度不同，但是电场的波峰4a和波谷4b形成垂直于Z轴方向的平面，从而获得近似于平面波的传播。
通过比较，在较高阶能带传播光中，在材料5a和材料5b边界附近出现的“节点4c”处的电场强度变为零，如图7中所示。因此，将由相邻的材料5a和材料5b构成的分层结构的周期分为两个具有波峰和波谷的区域。因为在相邻区域(材料5a和材料5b)的波有半波长的相移，因此波峰和波谷并不同步。在第二和第三能带中，每个周期出现两个节点4c。对于在较高阶能带的被传导光，每个周期的节点数甚至增加更多，并且每个周期发生多次的半波长相移。
结果，对于在有多个能带起作用的某一波长的入射光，其中有多个传播光模式发生重叠并形成复杂的电场形式。例如，随着如图2中所示的具有真空波长λB的入射光有第一能带和第三能带的传播光，使得该光子晶体中有着多种传播光模式。因此，产生了复合传播形式(complex propagation pattern)。
然而，发明人的研究表明，在经过相位调制的入射光耦合进入在被传导光的传播方向上具有光子能带的光子晶体中时，则有可能仅传播某些较高阶能带传播光。根据本发明的实施例的光子晶体光波导利用了这一点。
下面是参照附图对根据本发明的实施例的光子晶体光波导的说明。图8为示出了根据本实施例的光子晶体光波导10的结构的剖视图。如图8所示，该光子晶体光波导10设置有光波导部分和作为相位调制部分的相位光栅6。该光波导部分包括纤芯和包层。纤芯由仅在Y轴方向上具有周期性折射率结构的一维光子晶体1组成。包层由纤芯周围的空气组成。在图8中，包层为在作为纤芯的一维光子晶体1周围的空气，所以在附图中没有示出。应该注意，该包层并不一定是空气，并且也可能采用一种合适的材料作为包层，并把它设置在该一维光子晶体1周围。
该一维光子晶体1和图1中所示的相同。也就是说，它具有多层结构5，在其中的Y轴方向上交替层叠具有不同折射率的材料5a和材料5b。在作为光传播方向上的Z轴方向上，折射率是统一的。该多层结构5的周期“a”为材料5a的厚度和材料5b的厚度的总和。此外，一维光子晶体在被传导光传播方向(Z轴方向)具有光子能带。应该注意，在下面的图中，Z轴方向为光的传播方向，Y轴为该一维光子晶体的分层方向。
相位光栅6设置为靠近或者接触到该一维光子晶体1的光线入射的端面。例如，在该相位光栅6和该一维光子晶体1之间也可能形成有间隔18。
图9为示意性地示出了在本实施例的光子晶体光波导10中的被传导光在Z轴方向的电场强度的图示。在图9中，光的电场强度用波的形式描述，该电场的波峰4a表示为实线，而该电场的波谷4b表示为虚线。并且，通过这些线的粗度表示出幅度大小，越粗的线代表越大的幅度。
相位光栅6在入射光(平面波)上的作用是在Y轴方向周期a中造成了半波长的差别。当平面波入射光7入射到相位光栅6上，则电场形式与图7中所示的在一维光子晶体中的较高阶能带传播光在间隔18中所形成的类似。发明人通过模拟发现，当具有此电场形式的光8从一维光子晶体1的端面入射并在一维光子晶体1中透射，则没有光在第一能带上传播，并且只有较高阶能带传播光在传播。因此，在一维光子晶体1中传播的波，全部或者超过一半的能量与较高阶光子能带有关。
这意味着，如果有和光子晶体的周期性结构具有同样方向同样周期、经过适当相位调制的波耦合进入该光子晶体，则可以获得只在特定能带上传播的波。
相位光栅6作为相位调制部分使用，并且下面是对于相位调制部分的参数的更加详细的说明。
最简单的相位调制器是和由一维光子晶体1组成的纤芯的周期性多层膜具有相同周期的相位光栅。如图8中所示，该相位光栅6可以由具有不同折射率的材料5c和材料5d周期性的交替层叠构成。发明人通过模拟发现最好对该相位光栅6进行优化。
例如，最好要优化图8中的材料5c和材料5d在Y轴方向上的厚度tC和tD，相位光栅6在光传播方向(Z轴方向)上的长度L，间隔18在Z轴方向上的厚度G，以及间隔18的折射率nG。对于这些优化来说，例如，最好是调整材料5a和材料5b之间厚度tA和tB的比率，这些是一维光子晶体1的多层结构5的特性，或者调整材料5a和材料5b的折射率的比率。最好使得相位光栅6和一维光子晶体1的周期同步。更具体的说，最好满足条件：
tA+tB＝tC+tD
并且在材料5a和材料5c在Y轴方向上的中心和材料5b和材料5d在Y轴方向上的中心分别相称。因此，使得相位光栅6和一维光子晶体1的周期同步以相同。
最好还要选择在相位光栅6和一维光子晶体1之间间隔18的厚度以在合适的范围内，因为它可以影响被传导光。
并且，如果多层结构5的周期a(＝tA+tB)不大于入射光7的真空波长λ0，并且采用空气层作为两者之间间隙中的间隔18，则由于相位光栅6的±1阶衍射光不能传播并且反射光增加。防止它的一个方法是用较大折射率的介质填充间隔18，以增加间隔18的折射率。更具体的说，应该将具有折射率nG的介质填充到间隔18中，其中nG由下式给出：
λ0/nG＜a
这里，如果给定条件λ0/nG＜a，则间隔18的厚度G最好不超过在介质中波长(λ0/nG)的五倍。当G的厚度太大，则+1阶衍射光和-1阶衍射光距离其他衍射光太远，并且有干扰波(interference wave)形成的部分会减小。
即使当给定条件λ0/nG＜a时，如果间隔18的厚度G几乎为零(λ0/nG的十分之一或者更小)，则可能会出现耦合倏逝波的情况。
也可能通过切割在入射侧的端面1a附近的一维光子晶体1而形成相位光栅6，并将其从一维光子晶体1上分开。因此，通过这种在一维光子晶体1和相位光栅6之间切割而形成的刻槽成为间隔18。这种情况下，调整切割部分的厚度(相位光栅6的厚度L)以及刻槽的宽度(间隔18的宽度G)，可以确保只有某些较高阶能带传播光被传播。不用说，刻槽可以是空气层，或者可以用均匀介质填充。
此外，图10为示出了根据本发明的另一实施例的光子晶体光波导20电场的示意图。图10示出了图9中的光子晶体光波导10的结构，其中与上述设置在入射侧端面处的相位光栅6类似的相位光栅6b作为相位调制部分，设置为靠近或者接触到一维光子晶体1的出射侧。在该相位光栅6b和该一维光子晶体1之间形成有间隔。因此，与特定能带相关的从一维光子晶体1出射的出射光8b被转化成为平面波9。这就是说，与特定能带相关的从一维光子晶体1出射的出射光8b，在入射到相位光栅6b上时被转变为平面波。应该注意，在图10中，只示出了电场的波峰4a部分。相位光栅6b的结构最好是类似于图8中的相位光栅6的结构，并且在光子晶体1和相位光栅6b之间的间隔最好也按照和图8中的间隔18的类似情况设置。
通过采用具有如图5所示的二维光子晶体作为光波导部分和在两端都设置了如相位光栅的相位调制部分的光纤21，可以获得如使用上述光子晶体光波导类似的效果。这种情况下，相位光栅也应该具有二维结构，类似于作为光波导部分的光纤21。因此，可以实现只有特定较高阶能带传播光的传播，和使用一维光子晶体类似。
同样在这种情况下，当较高阶能带传播光的有效折射率变为低于形成在纤芯22周围的包层23的折射率的时候，则被传导光4可能由于折射而从纤芯22泄漏。尤其是当较高阶能带传播光的有效折射率不大于1时，当包层为空气时不可能防止光泄漏的问题。
为了防止由于有效折射率降低而使被传导光从纤芯泄漏，并为了把被传导光约束在纤芯中，例如图11所示，最好设置反射层32，诸如金属膜，作为由光子晶体组成的纤芯周围的包层。图11为根据本发明另一实施例的光子晶体光波导30的剖视图。图11中的该光子晶体光波导30设置有由如图1所示的一维光子晶体1组成的纤芯，以及设置在两端面并由间隔38与纤芯隔开的相位光栅36。由金属膜等构成的反射层32，作为包层与一维光子晶体1接触形成，并将其夹在中间。利用这样的结构，从作为纤芯的一维光子晶体1泄漏的光由反射层32反射，并被约束在作为纤芯的一维光子晶体1中。
然而，当将反射层32作为包层使用时，可能会引起问题，诸如作为多层结构的光子晶体光波导30的强度降低，或者由于反射层32反射率不足引起的衰减。图12为根据本发明另一实施例的光子晶体光波导40的剖视图。图12中所示的光子晶体光波导40与图11所示的光子晶体光波导30的不同在于，不是使用反射膜而是光子晶体11作为包层。如图12所示，光子晶体光波导40具有用作包层的光子晶体11，替代了反射膜，其中用作包层的光子晶体具有周期性折射率。作为包层的该光子晶体11在至少一个与被传导光的传播方向(Z轴方向)垂直的方向上具有周期性折射率，并在被传导光传播的方向上具有统一的折射率。应该注意，作为包层的该光子晶体11的结构与作为纤芯的一维光子晶体1的结构不同，并且折射率周期也不同。因此，将作为包层的该光子晶体11的光子能带间隙设置到与作为纤芯的一维光子晶体1的传播光的Z轴方向波矢量kz相应的位置。因此，能够实现将被传导光约束在一维光子晶体中。
下面是对于用光子晶体11作为包层的情形中的优选条件的说明。图13A和13B为当中有两种厚度相同的不同材料交替层叠的一维光子晶体的能带图。这两种材料的折射率分别是1.00和1.44。图13A中的多层结构的周期设为a，图13B中的两种多层结构的周期设为a’＝0.434a。图13A和13B都是按照相同的比例二维显示的。竖直方向对应于Y轴方向，并在竖直方向上，在从中心开始的±π/a和±π/a′的范围内，逐个能带地显示了第一布里渊区。并且，水平方向对应于Z轴方向(与X轴方向相同)，并且没有布里渊区的边界线，因为在此方向上折射率没有周期性。进行计算的范围显示到图的左边和右边，但是这个范围并无特别意义。
在布里渊区内的位置表示光子晶体内的波矢量，并且轮廓线表示与特定的归一化频率a/λ0(或a′/λ0)相应的能带。顺便提一下，上述的图2和3仅是对这样的能带图的一部分的一维表达(即对Z轴正向部分)。
图13A用粗线示出了针对具有周期a的一维光子晶体对应于波长λ0＝0.725a(a/λ0＝1.38)的能带。此外，用虚箭头41表示代表在Z轴方向的第一能带传播光的波矢量，而用箭头42表示代表在Z轴方向的较高阶能带传播光的波矢量。此外，图13B用粗线示出了对应于相同波长(λ0＝0.725a(a/λ0＝1.38))的能带。
在图13B中画出了表示代表较高阶能带传播光的波矢量的箭头42大小的虚线43，以及表示代表第一能带传播光的波矢量的虚线箭头41大小的虚线44。正如可以从这些图中看到的，图13B中没有相应的能带。图13B中，没有对应于图13A中的较高阶能带传播光的波矢量(对于Z分量情况一样)的能带。结果，在图13A中所示的具有周期a的晶体中的较高阶传播能带，在图13中所示的具有周期a’的光子晶体中不存在。
因此，如图12所示，可以采用具有周期a的一维光子晶体1作为纤芯，并在其两侧设置具有周期a’的光子晶体11作为包层，而构成光波导部分。在这样的光波导部分中，在周期为a的光子晶体中传播的较高阶能带传播光不会泄漏到周期为a’的光子晶体中。因此，有可能将光约束在由周期为a的光子晶体构成的纤芯中并传播。
被用作包层的光子晶体11的材料和结构，可以与被用作纤芯的一维光子晶体1的不同。然而，从制造多层结构的困难来看，两者最好使用相同的材料，并且使作为包层使用的光子晶体11的折射率周期更小。不用说，需要通过能带计算确定在纤芯中的波矢量在包层中不存在以后，才能设计光波导。
应该注意，根据图13A和13B，在图13B中不存在相应于第一能带传播光的能带，使得在一维光子晶体1中也传播第一能带传播光。然而，如果对包层的光子晶体11的周期a’或者多层膜的结构进行调整，则可以造成第一能带传播光从作为纤芯的一维光子晶体1中泄漏，并且可以约束较高阶能带传播光。通过能带计算而设计这些条件，可以获得在中途完全清除在第一能带传播的光的光子晶体光波导。
一般地，为了使用能带图确定约束能力，假设光子晶体具有无限的周期性结构。因此，例如，如果实际上约束用的光子晶体只有三个周期，则约束能力可能会变得不够，并且使被传导光泄漏到外面。不用说，考虑到多层膜的成本以及耐用性和精度，并不希望提供不必要的大量周期。实际上，最好通过实验或者通过电磁仿真确定所需要的最小的周期数。
目前所述的情况是关于约束一维光子晶体中的较高阶能带传播光的。在二维光子晶体光纤的情况下，同样可以通过用光子晶体作为包层包裹纤芯部分而实现约束。
图14A和14B示意性地示出了作为多层结构的二维光子晶体。图14A和14B是在X轴方向和Y轴方向具有周期性，且在Z轴方向没有周期性的二维光子晶体的例子。在图14A中的光子晶体50a中，层叠有四类介质51，52，53和54。在XY横截面上显示了这四类介质51，52，53和54。图14B中的光子晶体50b由三种介质55，56和57组成。该光子晶体50b可以通过首先在Y轴方向上层叠两种介质55和56，然后在X轴方向上周期性地形成平行于YZ平面的凹槽而方便地制造。这种情况下，介质57是空气，但是也可能用不是空气的其他介质填充该凹槽。
通过采用这些光子晶体50a和50b用于纤芯、包层和相位光栅中的至少一个，也可以实现根据本发明的一个实施例的光子晶体光波导。
以下是对本实施例需要满足的条件的更详细说明。
尽管在图9中没有示出，但是第四能带或者更高的较高阶能带也显示出了与第二和第三能带类似的大的波长色散。然而，随着传播光能带阶数增高，在Y轴方向每周期存在的波的节点数随之增加，使得相位调制的形式变得更加复杂。因此，最理想的是利用第二或者第三能带作为较高阶传播能带，其中在第二或第三能带中每个周期有两个节点。不用说，不可以利用“非耦合的”能带，使得优选能带是从最低阶数起的第二耦合能带。如上面所解释的，第一能带是耦合的。
并且，在较高阶传播能带上的传播光中发生所谓的“光子晶体群速度异常”，以使能够预期有更大的非线性效应。在本实施例中，基本没有群速度异常的第一能带光没有占据能量，以使可以通过在多层膜或者光子晶体光纤的纤芯部分中包含非线性光学材料而获得增大的光学非线性效应。(参看Optical Fiber Communication2002/Conference and Exhibit Technical Digest(光纤通信2002/会议及展览技术文摘)ThK4(p.468))
例如，如图4所示，在作为纤芯的一维光子晶体15中，在X轴方向和Y轴方向上的结构有着很大的差异。因此，有效折射率和群速度随着偏振方向而不同。这一点可以从图2(TE偏振光)的特征和图3(TM偏振光)特征的不同的事实中清楚地看出来。因此，在根据本实施例的光子晶体光波导中，最好在光路中插入校正双折射元件，以消除光波导部分的偏振模式之间的差别。应该注意，可以使用例如双折射晶体，结构双折射元件(structural birefringent element)或者光子晶体作为双折射元件。
对于在本实施例中使用的光子晶体材料而言，只要可以保证在所使用的波长范围内的透明度，就没有特别的限制。对于一维情况，合适的材料有二氧化硅、氮化硅、硅、氧化钛、氧化钽、氧化铌和氟化镁，这些材料一般用于多层膜的材料并具有极好的耐用性和薄膜生产成本。利用这些材料，可以通过已知的方法容易地形成多层膜结构，例如溅射、真空沉积、离子辅助沉积或者等离子CVD。在二维光子晶体光纤的情况下，最简单的构造是在石英光纤中设置有空气孔洞。
随着构成光子晶体的材料之间的折射率比的变大，例如，波长色散也趋于增加。因此，最好由高折射率和低折射率的材料混合构成光子晶体，对于应用，这样的特点是必需的。至于实际上可能使用的折射率比例，如果是折射率为1的空气，作为低折射率材料使用，以及折射率为4.21的InSb，作为高折射率材料使用，则可以获得大于4的折射率比。(参看“BISHOKOGAKU HANDBOOK”(MicroopticsHandbook(微光技术手册))，p.224，Asakura Shoten，1995)
当组成光子晶体的材料的折射率比变小，则依赖于偏振方向的特性的差异就趋于减小，使得有利于组合具有小折射率比的材料以实现对偏振的非依赖性。然而，当折射率比变得非常小时，则调制效应会变弱，并且可能达不到预想的效果，因而最好确保折射率至少为1.2。
通过首先层叠多层膜和制造多层结构，然后继续进行涂敷抗蚀层，形成图案，蚀刻和去除抗蚀层的一般步骤，可以形成用以将光波导部分和相位光栅部分隔开的间隔。图8中显示的凹槽部分(间隔18)可以用空气填充，或者可以是真空。这样，间隔18将有较低的折射率。也可以在间隔18中填充介质。当填充介质到空间18时，可以使用有机树脂，溶胶态玻璃，或者熔融半导体材料等。应该注意，在将溶胶态玻璃转变为凝胶后，通过加热它，能够变为透明玻璃。
通过选择合适的材料，可以将本实施例的光子晶体光波导的对于通常使用的波长范围大约为200nm到20μm的光使用，并获得令人满意的特性。并且，本实施例已经针对光进行了说明，但是它不仅可以应用于光，而且可以应用于一般的电磁辐射。
应该注意，如果将相位调制部分设置在光子晶体的出射端，对于在光子晶体和相位调制部分之间的间隔也是一样的。
图15为根据本发明的一个实施例的光子晶体光波导的透视图。
光子晶体光波导69具有衬底61，设置在衬底61上作为纤芯的一维光子晶体66，以及设置在一维光子晶体66入射侧和出射侧上的端面处的相位光栅66a和相位光栅66b，在一维光子晶体66与相位光栅66a和相位光栅66b之间设置有间隔68a和间隔68b。应该注意，实际上在该一维光子晶体66的上面和下面设置有金属膜或者一维光子晶体的反射层(参看图11或者图12)，但是没有在图中示出。并且，在相位光栅66a的外侧设置有均匀材料组成的均匀光波导67b。双折射元件64和均匀光波导67b设置在相位光栅66b的外侧。应该注意到，将一维光子晶体66周围的空气作为包层使用。并且，相位光栅66a和相位光栅66b最初为一维光子晶体66的端部，并且是通过切割和分隔该一维光子晶体66的端部而制作的。
例如，该一维光子晶体66可以通过在衬底61的整个表面上形成周期性的多层膜，然后蚀刻掉除了线形部分之外所有的多层膜来制造。应该注意到，该一维光子晶体66在光传播的方向具有统一的折射率，并且在分层的方向具有周期性的折射率。
入射光62(信号光)从光纤等耦合进入均匀光波导67a。该信号光传播通过均匀光波导67a，穿过相位光栅66a并被输入一维光子晶体66。在相位光栅66a和一维光子晶体66之间形成有间隔68a。如上所述，信号光在穿过相位光栅66a后入射到作为纤芯的一维光子晶体66上，以使通过一维光子晶体66传播的被传导光只是较高阶能带传播光。
通过一维光子晶体66传播的较高阶能带传播光，从该一维光子晶体66的出射面出射进入间隔68b，入射到相位光栅66b上，并被相位光栅66b再次转变为平面波。被转化为平面波的光从相位光栅66b进入双折射元件64，补偿了由于偏振模式造成的相移，并且将光传入均匀光波导67b。例如，然后，穿过均匀光波导67b后出射的出射光63耦合进入光纤。
如上面所提到的，较高阶能带传播光的群速度根据入射光的波长而变化显著，因而该光子晶体光波导69可以应用于如色散补偿元件或者光通信中的信号光的光延迟元件。并且，如上所提到的，具有较低群速度的被传播光增加了非线性光学效应。下面列举了很多可以将其用作比常规元件具有大得多的非线性光学效应的元件的方法。例如，通过将具有非线性光学效应的材料的微粒掺杂在部分一维光子晶体66中，可以增加非线性光学效应。更具体地，可以扩散微粒并利用量子点效应。
作为另一种方法，利用在一维光子晶体66的每个周期上设置包括具有非线性光学效应的物质的薄膜层，可以增加非线性光学效应。更具体地，可以利用溶胶-凝胶法制作薄膜层的至少一面，并且能够使其包括一种有机颜料或者一种具有光折变性的有机物质。
另一种用于增加非线性光学效应的方法是通过采用具有非线性效应的材料作为制造一维光子晶体66的材料。更具体地，该一维光子晶体的材料可能是具有大的非线性的物质，如LiNbO3等。
图16为示出了补偿偏振相关相位差的光波导元件70的透视图。图16中使用了两个在图15中示出的光子晶体光波导69。该光子晶体波导69中的一个围绕着光的传播方向相对另一个旋转了90°，并且和它相连。应该注意，可以省略在设置在入射侧(图16中的左侧)的光子晶体光波导69的出射侧的均匀波导以及在设置在出射侧(图16中的右侧)的光子晶体光波导69的入射侧的均匀波导，如图16所示。并且，在图15中使用的双折射元件也可以省略。这两个一维光子晶体光波导69通过出射侧的相位光栅66b和入射侧相位光栅66a连接起来。
入射到光子晶体光波导69入射侧上的平面波的TE偏振分量和TM偏振分量在波导中具有不同的群速度和波长，从而存在相位差、强度差、以及非线性效应差异。然而，通过使波穿过与入射侧光子晶体光波导69具有相同结构和长度，并仅仅相对其旋转了90°的出射侧光子晶体光波导69，就消除了相位差、强度差、以及非线性效应差异。因此，图16中的光波导元件70没有偏振相关的差异性。
例如，使用如图14A和图14B中所示的在Y轴方向和X轴方向都具有周期性的二维光子晶体，也有可能替代在图15中示出的一维光子晶体66。在这种情况下，通过对结构优化可以消除偏振模式相关的差异。不用说，在这种情况下，也可以通过切割作为纤芯的具有二维结构的二维光子晶体制造相位光栅。
应该注意，如图14B所示，通过利用在多层膜的层上蚀刻的方法形成平行于Z轴方向的凹槽，可以容易地使该光子晶体成为二维的。
图17为根据本发明的一个实施例的一种光子晶体光纤的示意图。
作为光子晶体光波导的光波导部分的光纤79，由具有二维光子晶体结构的纤芯71、以及形成在其周围的包层72组成。应该注意，折射率在光传播的方向上是统一的。与纤芯71的周期相匹配的相位光栅76a和76b设置在光纤79的两端。入射光(平面波，在图中没有示出)以较高阶能带传播光的形式传播通过纤芯71，并在出射侧恢复成平面波。在两侧的光栅元件是相同的，以使得该光纤可以双向使用。
应该注意，纤芯71和包层72的折射率周期是关于光纤79的中心轴对称的。这样有着不产生偏振模式相关差异的优点。
光纤79的包层72的光子晶体具有与纤芯71的光子晶体不同的周期和结构，并具有通过光子能带间隙将被传导光限制在纤芯71中的作用。应该注意，如果光子晶体制成的包层72的厚度能将光约束在纤芯71中就足够了，并且不需要自始至终形成达到光纤79的外圆周的光子晶体。
光纤79所传导的光为较高阶能带光，因而有比使用最低阶能带上的单模传播的常规光纤具有大得多的群速度异常。因此，可以获得强烈的色散补偿效应和非线性光学效应。
并且，纤芯71具有周期性结构并且它的尺寸不受限制，从而可以容易地实现具有较大直径的纤芯71，并且可以简化光纤的连接。
图18是根据本发明的一个实施例的同心圆光子晶体光纤89的示意图。
光纤89在径向具有周期性的折射率分布。光纤89由具有周期性，并具有与到中心轴的距离相关的同心圆折射率周期的二维光子晶体的纤芯81和包层82组成。应该注意，在光传播的方向上的折射率是统一的。与纤芯81的周期相匹配的相位光栅86a和86b设置在光纤89的两端。入射光(图中没有示出)为平面波，以较高阶能带传播光的形式传播穿过纤芯81，并且在出射侧又恢复为平面波。两侧的相位光栅86a和86b相同，因而入射方向和出射方向也可以反向。
包层82具有与纤芯81不同的折射率周期，并且通过光子能带间隙起到了把被传导光约束在纤芯81中的作用。
光纤89是关于光轴对称的，因而存在着没有偏振模式相关差异的优点。由于群速度异常引起的效应和对纤芯部分的尺寸没有限制的情况与图17中的光纤79相同。
利用在具有基本上为圆截面的纤维状均匀材料中形成孔洞，并用均匀材料和空气形成周期性折射率，同样可以制作在图17和18中的光纤79和89。应该注意，应该沿着纤维状均匀材料的纵向形成大量的孔洞。该孔洞应该平行于被传导光。可以进一步向所有的或者某些孔洞中填充流体物质，以形成不同的折射率周期。例如，可能填充丙烯酸单体作为流体材料，从外部用紫外光照射，并使得丙烯酸单体聚合。
应该注意，在前述的实施例中详细显示的结构仅仅是例子，并且本发明不受这些特定例子的限制。例如，作为本实施例中光波导纤芯的光子晶体，在光传播的方向上的折射率是统一的，并且在至少一个与传播方向垂直的方向上具有周期性的折射率。此外，在被传导光传播的方向上也应该有光子能带。
工业应用
如上面所述，本发明可以广泛地应用于利用如色散补偿以及由较高阶能带传播光的群速度异常所引起的光学非线性效应等效应的光学元件中。
Claims (19)
1、一种光子晶体光波导，包括：
一个光波导部分，具有用一种在至少一个与被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性折射率、并在被传导光的传播方向上具有统一折射率的结构的光子晶体制造的纤芯，以及设置为接触到该纤芯的一个包层，以将该被传导光限定在该纤芯内；以及
设置为很靠近或者接触到该纤芯的一个入射面的一个入射侧相位调制部分。
2、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，
其中在该纤芯中的光的传播方向上有一个光子能带；
其中该入射侧相位调制部分对入射的被传导光进行相位调制并使其传播通过该光波导部分的纤芯；以及
其中该纤芯以与所述光子能带的较高阶光子能带相关的波的形式传播该相位调制后的被传导光全部或者至少一半的能量。
3、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，其中该入射侧相位调制部分为一个相位光栅，其具有适应于该纤芯的折射率周期的折射率周期。
4、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，其中该入射侧相位调制部分为一个相位光栅，其具有与该纤芯相同的结构，并具有与该纤芯相同的折射率周期。
5、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，其中该入射侧相位调制部分为通过切割在该纤芯入射面侧端部的邻近部分而被隔开的部分。
6、根据权利要求2所述的光子晶体光波导，其中该纤芯使与从该相位调制后被传导光最低阶的该第二耦合光子能带相关的波传播。
7、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，还包括一个出射侧相位调制部分，设置为很靠近或者接触到该纤芯的该被传导光出射的出射面。
8、根据权利要求7所述的光子晶体光波导，其中该出射侧相位调制部分将从该纤芯的该出射面出射的光转变为一个平面波。
9、根据权利要求7所述的光子晶体光波导，其中该出射侧相位调制部分为一个相位光栅，其具有适应于该纤芯的折射率周期的折射率周期。
10、根据权利要求7所述的光子晶体光波导，其中该出射侧相位调制部分为一个相位光栅，其具有与该纤芯相同的结构，并具有与该纤芯相同的折射率周期。
11、根据权利要求7所述的光子晶体光波导，其中该出射侧相位调制部分为通过切割在该纤芯出射面侧端部的邻近部分而隔开的部分。
12、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，其中该包层用一种光子晶体制造，该光子晶体在至少一个与该被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性折射率并在该被传导光的传播方向上具有统一的折射率。
13、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，其中该纤芯包含一种具有非线性光学效应的活性材料。
14、根据权利要求1所述的光子晶体光波导，其中该纤芯由在一个或者两个与该被传导光传播方向垂直的方向上具有周期性折射率并在该被传导光的传播方向上具有统一折射率的多层膜层制成。
15、根据权利要求12所述的光子晶体光波导，其中该光波导部分具有横截面基本上为圆形的纤维形状，并且该纤芯为纤维状，在该纤芯周围形成有该包层；并且
其中该纤芯和该包层在该被传导光传播的方向上具有统一的折射率。
16、根据权利要求15所述的光子晶体光波导，其中该纤芯和该包层的折射率周期是关于该光波导部分的中心轴对称的，其中该中心轴与该被传导光的传播方向平行。
17、根据权利要求16所述的光子晶体光波导，其中该光波导部分包括具有基本为圆形横截面的纤维状均匀物质，在该均匀物质上沿着其纵向形成有大量孔洞，并且该大量孔洞关于该光波导部分的中心轴对称地形成，其中该中心轴与该被传导光的传播方向平行。
18、根据权利要求17所述的光子晶体光波导，其中所有的或者部分该孔洞用流体物质填充。
19、根据权利要求16所述的光子晶体光波导，其中在该光波导部分横截面上的折射率周期性地变化，并相对于到该光波导部分的中心轴的距离呈同心圆状，其中该中心轴与该被传导光的传播方向平行。
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