WO2013104307A1 - 光子晶体波导te-偏振分离器 - Google Patents

光子晶体波导te-偏振分离器 Download PDF

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Abstract

一种光子晶体TE-偏振分离器，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导的输入端（1）输入任意偏振方向的入射波入射到该偏振分离器后，TE波从该偏振分离器的输出端（2）输出，而TM波从该偏振分离器的输入端（1）反射回去。该TE-偏振分离器体积小，偏振度高，光传输效率高，便于集成而且高效，适合大规模光路集成，可以实现不同波长偏振分束的功能。

Description

光子晶体波导 TE-偏振分离器 技术领域
本发明涉及微小光学偏振分离器领域， 尤其涉及一种基于光子 晶体技术的微小光学偏振分离器。
背景技术
传统的偏振分离器体积大， 无法用于光路集成中。 以光子晶体为 基础可以制作微小的器件， 包括偏振分离器。 目前有两种做法： 一种 是利用一块具有 TE禁带和 TM导带或 TM禁带和 TE导带的光子晶体 来实现波的偏振分离。这种偏振分离器，由于其透过率和偏振度较差， 并且难以集成到其它光子晶体器件中，只能作为单一光子晶体器件使 用在传统光学波导中。另一种是通过长程耦合波导， 利用波导之间周 期性耦合和奇偶态变化的方法，设计不同的相对耦合长度把不同偏振 态的光波耦合到不同的波导。 通过这两种方法所得到的偏振分离器， 虽然其体积比传统的偏振分离器小了很多， 但还是显得比较大。 发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种高效短程便于 集成的光子晶体通 TE-偏振分离器。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
本发明的光子晶体波导 TE-偏振分离器，包括一个具有完全禁带 的光子晶体波导，所述光子晶体波导的输入端输入任意偏振方向的入 射波到该偏振分离器后， TE波从该偏振分离器的输出端输出，而 TM 波从该偏振分离器的输入端反射回去。
所述的光子晶体波导中设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质 柱中的 e光折射率大于 0光折射率，且波导缺陷介质柱的光轴平行于 光子晶体波导平面并与波的转播方向正交。
所述的波导缺陷介质柱数量为 1根或 2根或 3根或 4根或 5根或 6根。
所述的光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子 晶体波导， 蜂窝结构二维光子晶体波导， 孔状三角晶格二维光子晶体 波导， 各种非规则形状二维光子晶体波导。
所述的光子晶体波导为所述光子晶体中移除 1排或 2排或 3排或 4排介质柱后的结构。
所述的光子晶体波导平面垂直于所述光子晶体中的介质柱的轴 本发明与现有技术相比具有以下的优点：
( 1 ) 结构体积小， 偏振度高， 光传输效率高， 适合大规模光路 集成；
( 2 ) 本发明在短程通过两个点缺陷就可以完全实现偏振分离功 會^ 便于集成而且高效；
( 3 ) 本发明应用光子晶体可等比例缩放的特性， 通过等比例改 变晶格常数的方法， 来实现不同波长偏振分束的功能。 附图说明 图 1是本发明使用的 Tellurium 光子晶体波导器件结构示意图： 光子晶体波导器件初始信号光从左方端口 " 1 "入射， 端口 " 2 " 输出 TE光波。 " 3 "为背景碲介质柱， 光轴方向垂直纸面向外， 其半 径为 R = 0.3568a。 " 4 " 为方形缺陷介质柱， 光轴方向与纸面平行并 且与纸面的水平轴垂直， 所述方形缺陷介质柱的横截面的边长为 L = 0.575α , 其位置中心与所删除背景介质柱的各个圆心相同。
图 2是本发明光子晶体 ΤΕ-偏振分离器随介质柱大小变化的右通 道 ΤΕ、 ΤΜ光强分布图。
图 3 是本发明光子晶体 ΤΕ-偏振分离器随介质柱大小变化的右 通道 ΤΕ光消光比。
图 4是本发明光子晶体 ΤΕ-偏振分离器， 波导中的光波随方形点 缺陷大小变化的偏振度。
图 5是本发明光子晶体 ΤΕ-偏振分离器在禁带频率范围内的消光 比。
图 6是本发明光子晶体 ΤΕ-偏振分离器在禁带频率范围内的偏振 度。
图 7是 ΤΕ分量分布模拟图。
图 8是 ΤΜ分量分布模拟图。 具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的原理介绍和具体实施方式中的介质材料均以碲介质柱 为例。 碲是一种正单轴晶体， 其 0光折射率为 n。=4.8, e光折射率为 ne=6.2 当 e光轴与介质柱轴同向时， 通过平面波展开发可以得到其 光子禁带。当光子晶体为正方晶格，晶格常数为 半径为 0.3568Ω时， 其光子禁带为 3.928 至 4.550(6^/2rc)，其中间的任何频率的光波将 被限制在波导中。
本发明通过在上述波导中引入点缺陷，使点缺陷针对不同偏振态 的光波的等效折射率不同， 继而确定符合单偏振态全反射， 同时另一 偏振态全透射的点缺陷参数。将这些不同规格的点缺陷应用到不同偏 振态波导的端面附近， 就可以实现不同偏振态光波的分离。
如图 1所示，本发明所使用碲介质波导需要删除两行或两列介质 柱而形成导光波导， 其宽度为 L =3a， 为波导两边介质柱圆心之间 的间距， 其中 Ω为所述的光子晶体的晶格常数。 光子晶体中的背景碲 介质柱半径 R =0.3568Ω。 本说明中使用笛卡尔直角坐标系： X轴正 方向在纸面内水平向右； ） 轴正方向在纸面内竖直向上； ζ轴正方向 垂直于纸面向外。
点缺陷的等效折射率为： f n - E2dQ.
Γ£ —』Ω e ζ
eff — ί Ε2άΩ
Figure imgf000006_0001
式中 ^与 分别对应 TE与 TM光的等效折射率， Ex， Ey， E jf 波导中的光波在点缺陷处的反射率 (W)与透射率 (Γ)可以表示为
Figure imgf000007_0001
如图 1所示， 四个方形缺陷碲介质柱中， 每一个方形介质柱的中 心与原来形成波导所删除的圆形介质柱的中心相同，故四个方形碲介 质柱成正方形排列,正方形各边的两个柱子之间的中心距离为 同时 与最近背景介质柱中心的距离也为 Ω， 各自边长为 0.575Ω。 四个方形 碲介质柱的光轴与光子晶体中的背景圆柱碲介质柱的光轴正交，同时 光轴方向与图中正方形的上下边正交， 与左右边平行。
当碲介质柱阵列波导中引入上述缺陷后，入射信号端口为图 1中
1"的位置， 光在以
Figure imgf000007_0002
的波导中传播， 到达" 4' 的缺陷位置后， ΤΕ分量将全部通过， ΤΜ分量将全部阻隔， 最后经过 缺陷处理后的信号将在输出端口" 2"位置输出。对不同输入的信号， 具有以下选择功能：
(1)、 当入射光为 TE、 TM混合波时， TE分量将全部从右方波导 导出， TM分量将全部被隔离。
(2)、 当入射光为 TE波时， TE波从右方波导导出, (3)、 当入射光为 TM波时， TM将不能导入右方波导。
对于晶格常数和工作波长的选取， 可以用以下方式确定。通过单 轴晶体碲的折射率曲线知， 在波长范围为 3.5Ω~35Ω之间， 碲具有比 较稳定的折射率。 通过公式
Figure imgf000008_0001
其中/为归一化禁带频率，以及本发明中正方晶格碲结构的的禁带范
/ = 0.21977 ~ 0.25458
计算出相应的禁带波长范围为：
Figure imgf000008_0002
由此可见， 可以通过改变晶格常数 Ω的值得到与其等比例的满足波长 范围的 /1值。
波导中的消光比定义为：
LTE
ΤΕ波： Extinction RatioTE = 10 x log 10
LTM
TM
TM波： Extinction RatioTM = 10 x logl
lTE
偏振度定义为：
TE波： Degree of Polarization r£ =
LTE TM
TM ''TE
TM波： Degree of PolarizationrM =
TE
图 2示出了四个方形缺陷介质柱的边长变化导致的不同 TE、 TM 光波的输出强度。 在边长范围为 0.51Ω-0.6Ω之间， TE波具有输出强 度极大值。
如图 3、 图 4所示， 可以通过同时调节两行并排介质柱的大小来 确定符合 ^£ 0, ΓΤ£ 1且 RTM ¾1, TTM 0这两个条件的的介质柱的 边长， 从而实现阻隔 TM光， 传输 TE光的功能。 （此时缺陷介质柱 e 光轴的设置方向为水平)/轴）
根据图 3， 当方形点缺陷边长范围在 0.55Ω-0.6Ω之间时， TE波的 消光比具有极大值。 即当边长为 0.575Ω时， 消光比为 37.3dB。 根据 图 4， 当方形点缺陷边长范围在 0.55Ω-0.6Ω之间时， TE波具有大于 0.995的偏振度。 即当边长为 0.575Ω时， 偏振度为 0.9996。 结合图 3 与图 4得出， TE波具有消光比极大值时的方形介质柱的边长为
Ldefect = Q-515a
此时， ne T →\,nT →∞。
通过图 5可以发现当工作波长为 3.928Ω-4.55Ω之间时， 在输出 端口 TE波的消光比除区间 4.032Ω-4.046Ω外， 全部大于 17dB。 在波 长为 4.1375Ω时， 消光比有最大值 35.885dBo 而在区间 4.032 β -4.046 Ω内， 消光比具有最小值 5.4dB。
通过图 6可以发现当工作波长为 3.928Ω-4.55Ω之间时， 在输出 端口 TE波的偏振度除区间 4.032Ω-4.046Ω外，全部大于 0.96，而在区 间 4.032β-4.046β内，偏振度具有最小值 0.55。因此在波长区间 4.032 Ω-4.046Ω内， 不适合选取工作波长。
结合图 5、 图 6 以及上述分析， 可以发现除去一个很窄的波段 4.032 β -4.046 β夕卜， 所有其它在波段 3.928β-4.55β之间光波可以很好 的实现本发明的功能。这说明本发明具有很大的工作波长范围， 这是 其它耦合腔模式偏振分光器件所不具备的。
图 7、 图 8 为自由空间工作波长为 4.1 Ω时， 通过有限元软件 COMSOL进行计算， 得到的光场模拟图。可以观察到， TE光以高透过 率传播， 而 TM光完全被阻隔， 并且具有极高的消光比。
通 TE波导的四个方形介质柱 e光轴的设置方向与其它点缺陷和 背景介质柱的不同， 其设置方向与 Y轴平行。 因为其 e光轴设置方向 不同， 所以缺陷的形状设计成为方形， 以保证对光波导的线性影响， 同时也能降低制造难度。 本发明可以短程高效地分离同时具有 TE、 TM分量的光波， 或定向导通单 TE偏振态的光波。
本发明在具有高消光比的同时具有较宽的工作波长范围，可以允 许有一定频谱宽度的脉冲， 或高斯光， 或不同波长的光工作， 或多个 波长的光同时工作， 具有实用意义。
本发明可以通过在基板上建立以正方晶格排列的正单轴晶体碲 阵列， 在中心位置删除两行或两列的方式形成波导， 使 TE、 TM光都 能以基模形式传播。光子晶体中的背景碲介质柱阵列中的每一个介质 柱的 e光光轴方向要满足与圆柱体的轴线方向一致。工作波长可以通 过介质柱间晶格常数来调节，但工作波长的选取不能超出折射率线性 稳定范围。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应 当理解为对本发明限制。

Claims

权利要求书
1、 一种光子晶体波导 TE-偏振分离器， 包括一个具有完全禁带的光 子晶体波导， 其特征在于： 所述光子晶体波导的输入端输入任意偏振 方向的入射波入射到该偏振分离器后， TE波从该偏振分离器的输出 端输出， 而 TM波从该偏振分离器的输入端反射回去。
2、 按照权利要求 1所述的光子晶体波导 TE-偏振分离器， 其特征在 于： 所述的光子晶体波导中设置有波导缺陷介质柱， 该波导缺陷介质 柱中的 e光折射率大于 0光折射率，且波导缺陷介质柱的光轴平行于 光子晶体波导平面并与波的转播方向正交。
3、按照权利要求 2所述的光子晶体波导 TE-偏振分离器，其特征在于： 所述的波导缺陷介质柱数量为 1根或 2根或 3根或 4根或 5根或 6根。
4、 按照权利要求 1所述的光子晶体波导 TE-偏振分离器， 其特征在 于： 所述的光子晶体波导为二维光子晶体波导， 包括碲介质二维光子 晶体波导， 蜂窝结构二维光子晶体波导， 孔状三角晶格二维光子晶体 波导， 各种非规则形状二维光子晶体波导。
5、按照权利要求 1所述的光子晶体波导 TE-偏振分离器，其特征在于： 所述的光子晶体波导为所述光子晶体中移除 1排或 2排或 3排或 4排 介质柱后的结构。
6、按照权利要求 1所述的光子晶体波导 TE-偏振分离器，其特征在于： 所述的光子晶体波导平面垂直于所述光子晶体中的介质柱的轴线。
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