CN1715996A - 光子晶体比例光强分光器 - Google Patents
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Abstract
一种光子晶体比例光强分光器件，涉及一种光子晶体比例光强分光器件。本发明通过在二维或三维光子晶体中引入线缺陷构成输入波导和耦合波导，利用定向耦合的原理，将由输入波导输入的光强按所需的比例分配到输入波导和耦合波导各自导向的输出端口，实现比例分光的作用。该器件呈一级或多级树状结构，上一级的两束输出光分别成为下一级两个分支的输入光。多级结构的分光器可以将一束输入光按照光强的比例要求分成两束以上的输出光。该器件的损耗非常小，效率接近100％。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波和光波的分光器，可以将入射光的光强按比例分成多束光输出。
背景技术
光子晶体是电介质呈周期排列的人工结构，它的特性是具有光子带隙。光子带隙是这样一个频率范围，频率落在这个范围里的光不能在光子晶体内存在和传播。而当原来完整的周期结构局部地受到破坏时，就构成缺陷，并在光子带隙里引入缺陷模，相应频率的光将被限制在缺陷的范围里。如果构成的是线缺陷，光将沿着线缺陷的方向传播，并可以几乎没有损耗地转过半径为波长量级的弯。由于光子晶体具有非常良好的控制光的能力，它具有众多应用前景，比如微腔激光器，光子晶体光纤等。其中最引入注目的是基于光子晶体的集成光学芯片。许多基于光子晶体的适于集成的光学器件已经被设计出来，并表现出优良的性能，比如滤波器，光开关，波分复用器件等等。分光器是光学系统中非常重要的组件。以往曾经出现过两种基于光子晶体的分光器的结构。一种是如图1所示的Y型分光器(文献1，S.Boscoloand M.Midrio，Y junctions in photonic crystal channel waveguides：high transmissionand impedance matching，Opt.Lett.v.27，1001(2002)的)。这种分光器利用一个Y形的线缺陷，将输入光分别导入到两个分支中。由于有一部分光在分支处被反射，所以它的效率比较低。另一种是如图2所示的利用波导定向耦合(directional coupling)性质的分光器(文献2，Insu Park et al.Photonic crystal power-splitter based on directional coupling，Opt.Express v.12，3599(2004))。这种分光器在输入波导两侧设置了两个对称而且平行的波导，输入光在波导平行的区域内发生定向耦合，其结果是输入光被耦合到两侧的平行波导中并被引到两个输出端口。两个输出端口的透过率(定义为一个端口的输出光强与分光器的入射光强的比)均在47.6％左右，效率较高。然而，这两种分光器都只能提供光强相等的两束输出光，从而限制了它在需要不同强度的光的场合中的应用。
发明内容
本发明的目的是提出一种光子晶体比例光强分光器，使其能够按照需要将输入光的能量按比例分配到各个输出端口，并进一步提高分光器件的使用效率。
技术方案如下：
一种光子晶体比例光强分光器件，包括光子晶体和在光子晶体内引入线缺陷构成的入射波导和耦合波导，所述的入射波导和耦合波导之间存在一段互相平行的定向耦合区。该器件呈一级或多级树状结构，在多级结构中，上一级的各输出光强作为下一级各分支的输入光强，各分支输出端口的输出光强与输入端口的入射光强的比值T和相应的定向耦合区的长度l的关系为：
T1(l)＝sin2[πl/(2Lc)]，
T2(l)＝cos2[πl/(2Lc)]，
式中T1是与入射波导相连的输出端口的输出光强与入射光强的比值，T2是与耦合波导相连的输出端口的输出光强与入射光强的比值，Lc是在定向耦合区内光强从一个波导完全耦合到另一个波导所需经历的距离。
本发明的技术特征还在于：所述的每一级的定向耦合区内两平行波导间距为1～4倍晶格常数，其相邻输出端口间的距离至少为8倍的晶格常数。
本发明所述的光子晶体呈四方晶格或者三角晶格排列；所述的光子晶体为二维或三维光子晶体结构。
本发明的比例分光器的利用定向耦合的原理将一束光的能量耦合到两个波导中实现分光的效果，输出光的强度比例可按需要进行灵活设计，并且没有能量被反射回去，可以实现很高的分光效率，接近100％。按照同样的原理，通过进一步将已分开的光进行分光，可以设计出多呈树状结构的多级比例光强输出分光器件。本发明的比例光强分光器可以在二维或三维光子晶体上实现。
附图说明
图1：现有技术中Y型分光器的结构示意图。
图2：现有技术中等光强输出的定向耦合分光器。
图3：实施例1的光子晶体比例光强分光器件。
图4：实施例1中定向耦合产生的奇模和偶模的色散曲线。
图5：实施例1的光子晶体比例光强分光器件两输出端口的输出透过率曲线。
图6：实施例2的具有2级的比例光强输出分光器件。
其中：1，2表示光子晶体波导；3表示光子晶体；4为输入端口；5和6为两个输出端口；l0，l1，l2，l3表示各定向耦合区的耦合长度；I0，I1，I2，I3，I4，I5，I6，I7表示不同端口的输入或输出光强。
具体实施方式
图3为本发明提供的只有一级的光子晶体比例光强分光器的结构示意图。图中入射波导1和耦合波导2在l0长度内平行，且间隔1～4倍晶格常数的距离，这个区域称为定向耦合区。
本实施例采用2倍晶格常数的距离。光强为I0的入射光在这里发生定向耦合。在定向耦合区右端，两个波导内各自的光强将被分别引到相应的第一输出端口5和第二输出端口6。为了使分光后的两束光不会互相干扰，通向输出端口的波导的间距应在8倍晶格常数以上。图3中采用间隔为12倍的晶格常数。输出光强I1和I2就等于两波导内在定向耦合区右端的光强。根据正交模理论，在发生定向耦合的区域内，原来单一波导中的传播常数为β的单模将分裂成一个奇模和一个偶模，传播常数分别为βodd和βeven，它们的场分布相对于两平行波导之间的平面分别呈奇对称和偶对称。奇模和偶模的叠加结果是使得光强在两个波导中来回切换。光强从一个波导完全切换到另一个波导所经历的长度为Lc＝π/|βodd-βeven|，其中的βodd和βeven可以利用平面波展开法计算得到。在定向耦合区内，波导2中奇模和偶模的波函数分别可以表示为：
Eodd，1＝(A/2)·exp[j(βoddx-ωt)]， (1)
Eeven，1＝(A/2)·exp[j(βevenx-ωt)+]， (2)
其中A是入射光的振幅，ω和t是角频率和时间，＝±π，是奇模和偶模的初位相差，x轴平行于波导2并以波导2的左端为起始点。波导2内的总的波函数E2可以由(1)式和(2)式表示的奇模和偶模的波函数相加得到：
E2＝Eodd，2+Eeven，2 (3)
于是，经过进一步推到可以得到波导2中的光强沿波导方向的分布函数：
I(x)＝I0sin2[πx/(2Lc)]， (4)
其中I0是从入射端口4入射光的光强。波导2中在x＝l0处的光强将被引到输出第一输出端口5，而其余的光强就沿着波导1被引导第二输出端口6。定义输出端口的透过率为各端口输出光强与分光器输入光强的比，于是波导1和波导2对应的输出端口(分别是图1中的6和5)的透过率T1和T2分别可以表示为定向耦合的长度l0的函数：
T1(l0)＝cos2[πl0/(2Lc)]， (5)
T2(l0)＝sin2[πl0/(2Lc)]. (6)
这样，图3所示的光子晶体比例光强分光器的两输出端口的光强的分配比例可以通过调节定向耦合的长度灵活设定。
利用定向耦合的性质将分光器各输出光强进一步分离，可以方便地实现多级树状结构的分光器。根据前面所叙述的原理，各输出端口的光强分配可以灵活设计，从而实现多于2个输出光强的比例光强分光器件(图6)。
下面结合附图及实施例对本发明进一步说明：
实施例1：
只有一级的光子晶体比例光强分光器，其结构如图3所示，包括光子晶体3、在光子晶体内引入线缺陷构成的入射波导1和耦合波导2，图中l0为入射波导1和耦合波导2平行区域的长度，即定向耦合长度，这段区域即为定向耦合区。定向耦合区内两个光子晶体波导的间隔距离为2倍晶格常数；通向输出端口的波导的间隔为12倍的晶格常数。光子晶体的结构为呈四方晶格排列在空气中的介质柱，介质柱的介电常数为ε＝8.9，半径为r＝0.25a，其中a是晶格常数。这种光子晶体具有TM模(电场方向平行于介质柱的轴向)的带隙范围：a/λ＝0.29～0.39。定向耦合区的缺陷模色散曲线如图4所示，是利用平面波展开法计算得到的。从图4可以得到，当归一化频率为a/λ＝0.34的入射光入射时，定向耦合区内的奇模和偶模的传播常数分别为：βodd＝0.298和βeven＝0.365，于是Lc＝π/|βodd-βeven|＝15。把Lc代入(5)式和(6)式，得到耦合长度l0取不同的值时I1和I2所占入射光强I0的比例，如图5所示。于是，根据图5可以按照对输出光强比例的要求确定耦合长度l0。比如要得到I1∶I2＝0.25，可使l0＝10a；要使I1∶I2＝2.5，可取l0＝24a；要使I1∶I2＝9，可取l0＝26a。
实施例2：
具有2级的光子晶体比例光强分光器，结构如图6所示，由四个波导构成，图中虚线左边的部分为第一级分光器，虚线右边为两个第二级的分光器，第一级分光器的两个输出光强分别作为第二级两个分光器的输入光强，两级组合的结果得到4束不同强度的输出光。光子晶体的结构参数与实施例1的相同。第一级的输入光强I3经过长度为l1的第一个定向耦合区后分成两束光，这两束光作为第二级的两个分支的输入光分别再经过长度为l2和l3的定向耦合区进行进一步分光，最后得到四束输出光：I4，I5，I6和I7。图中三个耦合长度为：l1＝21a，l2＝19a，l3＝18a。四个输出端口的输出光强的比为：I4∶I5∶I6∶I7＝7.5∶0.22∶1∶6。
Claims (4)
1.一种光子晶体比例光强分光器件，包括光子晶体(3)，在光子晶体内引入线缺陷构成的入射波导(1)和耦合波导(2)，所述的入射波导和耦合波导之间存在一段互相平行的长度为l的定向耦合区，其特征在于：该器件呈一级或多级树状结构，在多级的结构中，上一级的输出光强作为下一级的输入光强，每一级的输出端口的输出光强与输入端口的入射光强的比值T与定向耦合区的长度l的关系为：
T1(l)＝sin2[πl/(2Lc)]，
T2(l)＝cos2[πl/(2Lc)]，
式中T1是与入射波导相连的输出端口的输出光强与入射光强的比值，T2是与耦合波导相连的输出端口的输出光强与入射光强的比值，Lc是在定向耦合区内光强从一个波导完全耦合到另一个波导所需经历的距离。
2.按照权利要求1所述的光子晶体比例光强分光器件，其特征在于：所述的每一级的定向耦合区内两平行波导间距为1～4倍晶格常数，其相邻输出端口间的距离至少为8倍的晶格常数。
3.按照权利要求1或2所述的光子晶体比例光强分光器件，其特征在于：所述的光子晶体呈四方晶格或者三角晶格排列。
4.按照权利要求1所述的光子晶体比例光强分光器，其特征在于：所述的光子晶体为二维或三维光子晶体结构。
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