專利名稱：二維光子晶體偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁波偏振分束器，具體是一種二維光子晶體偏振分束器。
背景技術(shù)：
光子晶體是一種空間上具有周期性的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，而二維光子晶體是一個二維平面上具有周期性的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)。電磁波傳播時，一般來說是非偏振的，即具有兩個互相垂直的不等于零的偏振分量，偏振分束器是將一束入射非偏振電磁波分解成兩束具有不同偏振的電磁波的器件。電磁波在二維光子晶體中傳播時，可分解為兩個偏振分量分別平行和垂直于該二維平面的軸，稱為P和S波。
中國專利號98110990.X，授權(quán)公告號CN 1093266C，授權(quán)公告日2002年10月23日，名稱為“二維光子晶體偏振器及制備方法”，該專利公開了一種二維光子晶體偏振器。另外，美國期刊《Journal of Applied Physics》2003年6月15日出版，93卷，9429頁，D.R.Solli，C.F.McCormick，R.Y.Chiao，J.H.Hickmann等人所撰”Photonic crystal polarizers and polarizing beam splitters”一文公開了一種工作于微波區(qū)間的二維光子晶體偏振分束器及其實驗結(jié)果。
上文所提及的現(xiàn)有二維光子晶體偏振器，其基本原理是利用光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分束。具體來說，空間上的周期性使光子晶體形成能帶結(jié)構(gòu)，能帶之間可能會有帶隙；如果電磁波的頻率落在帶隙中，則該頻率的電磁波不能在該結(jié)構(gòu)中傳播，因此，該頻率的電磁波入射時將被完全反射。不同偏振具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，一般來說帶隙的位置不相同，因此如果入射電磁波的一個偏振處于帶隙而另一個偏振不處于帶隙，則前者被完全反射，后者透射，于是在透射的電磁波中就只含有一個偏振分量。
由于工作原理依賴帶隙，現(xiàn)有二維光子晶體偏振器的主要缺點為1.對于一定的工作波長，帶隙的出現(xiàn)要求其晶格常數(shù)與波長可比擬，甚至比波長大，上述兩篇文章中的二維光子晶體偏振器，其λ/a，即工作波長與晶格常數(shù)之比約為5∶1至1∶1，因此其體積受到限制，無法做得很小，特別是如果工作波長在微波段至無線電頻段，則偏振器的體積會相當(dāng)大，不利于集成光學(xué)的要求。
2.由于一個偏振分量必須反射掉，無法滿足特定場合下使兩束偏振波都透射的要求。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為克服上述缺點，本發(fā)明的目的是提供一種二維光子晶體偏振分束器，在工作波長下其尺寸比現(xiàn)有的二維光子晶體偏振器大大減小，并且使兩束偏振波同時透射。
本發(fā)明基于二維光子晶體的各向異性性質(zhì)。所謂各向異性，是指光子晶體整體上對不同偏振的平均折射率是不同的。雖然二維光子晶體是周期性的電介質(zhì)棒，但如果入射波的波長比晶格常數(shù)大得多，則該光子晶體的周期結(jié)構(gòu)難以被入射電磁波感受到，此時對入射電磁波來說，光子晶體整體上近似于一塊均勻介電材料，一定的入射波長下，晶格常數(shù)越小，光子晶體的周期性對電磁波的作用越弱，而整體性越強。因此，在入射波長比晶格常數(shù)大得多時，例如波長與晶格常數(shù)之比約為10∶1至30∶1，如圖1，光子晶體對電磁波的作用可以用平均折射率描述。另一方面，光子晶體的平均折射率之差依賴于晶格常數(shù)，占空比(電介質(zhì)棒截面積與周期結(jié)構(gòu)的單元面積之比)，電介質(zhì)棒的折射率以及背景介質(zhì)的折射率，選擇合適的參數(shù)配比，可以使得不同偏振的平均折射率之差很大，因此電磁波在光子晶體中只需要傳播很短的距離就能獲得期望的偏振分束效果。利用不同偏振的平均折射率之差，設(shè)計合適的電介質(zhì)棒陣列的輪廓形狀，就可以設(shè)計出高質(zhì)量的偏振分束器。
本發(fā)明的特征在于1、它具有把電介質(zhì)棒插入在背景介質(zhì)中二維周期性結(jié)構(gòu)，其中背景介質(zhì)和電介質(zhì)棒是任意電介質(zhì)，所述背景介質(zhì)的折射率比電介質(zhì)棒的折射率小，沿著電磁波的入射方向，所述二維周期性結(jié)構(gòu)依次由以下三個部分組成(1).左增透膜，它的整體輪廓為四邊形，入射邊平行于出射邊，所述入射邊覆蓋全部入射波束，出射邊覆蓋全部出射波束，剩余兩邊全部處在波束范圍之外；(2).主體部分，它的整體輪廓為三角形，其中一邊即入射邊貼著所述左增透膜的出射邊且覆蓋全部入射波束，第二邊即出射邊覆蓋全部出射波束，第三邊全部處在波束傳播范圍之外；(3).右增透膜，它的整體輪廓為四邊形，入射邊平行于出射邊，所述入射邊貼著所述主體部分的出射邊且覆蓋全部入射波束，所述出射邊覆蓋全部出射波束，剩余兩邊全部處在波束傳播范圍之外；在上述二維周期性結(jié)構(gòu)中，主體部分的電介質(zhì)棒的半徑比左、右增透膜中電介質(zhì)棒的半徑大。
2、所述左增透膜呈矩形。
3、所述主體部分為直角三角形。
4、所述右增透膜是平行四邊形。
5、所述左增透膜為矩形，主體部分為直角三角形，右增透膜為平行四邊形。
6、所述電介質(zhì)棒的截面形狀是任意的。
7、所述電介質(zhì)棒的晶格單元是任意形狀的。
此結(jié)構(gòu)的分束原理是該結(jié)構(gòu)的主體部分相當(dāng)于一個棱鏡，由于其對S波和P波有較大的平均折射率之差，在出射時S波和P波的折射角不同，于是便分開了兩束不同偏振的光。而增透膜的作用是提高S波的透射率，即提高能量的利用率。
本發(fā)明的有益效果本發(fā)明具有光子晶體本身所具有的標(biāo)度不變性的優(yōu)點，即只需將結(jié)構(gòu)的尺寸放大或縮小一個因子，其工作波長隨之放大或縮小相同的因子，而保持偏振波束的偏振度、透射率等性能指標(biāo)不變。除此之外，在工作波長相等時，本發(fā)明比現(xiàn)有的二維光子晶體偏振器晶格常數(shù)要小得多，因而具有輕便小巧的優(yōu)點，尺寸受的限制也?。槐景l(fā)明可使P波和S波同時透射，且透射率大，偏振度高，能很好的適應(yīng)集成光路設(shè)計中的特殊要求。


圖1是二維光子晶體結(jié)構(gòu)以及在背景介質(zhì)中的電磁波波長λ與晶格常數(shù)a對比示意圖1.電磁波，2.電介質(zhì)棒，3.背景介質(zhì)。
圖2是本發(fā)明的一個實施例結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖2，入射電磁波源為單縫衍射波源，縫寬150a，背景介質(zhì)中波長為10a(以下均使用晶格常數(shù)a為長度單位工作)。
在二維平面上，分束器由正方晶格的硅(折射率n＝3.4)棒陣列構(gòu)成，背景介質(zhì)為空氣(折射率n＝1.0)。分束器整體輪廓為直角梯形，其中左增透膜1整體輪廓為一矩形，入射邊垂直于電磁波入射方向，入射邊長156a，棒半徑0.212a；主體2整體輪廓為直角三角形，其中一直角邊(入射邊)重合于左增透膜的出射邊，且與三角形斜邊之間夾角為8度，棒半徑0.33a；右增透膜3整體輪廓為平行四邊形，其中兩短邊平行于左增透膜的兩短邊，長0.91a，入射邊重合于主體部分的斜邊，棒半徑為0.23a。
入射波(入射波中S波和P波大小相等)經(jīng)過該結(jié)構(gòu)后出射為兩束偏振波S波和P波，方向分別為由入射方向順時針轉(zhuǎn)10.4度和3度，偏振度分別為99.7％和99.5％，能量透射率分別為93.3％和96.7％。
權(quán)利要求
1.二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，它具有把電介質(zhì)棒插入在背景介質(zhì)中二維周期性結(jié)構(gòu)，其中背景介質(zhì)和電介質(zhì)棒是任意電介質(zhì)，所述背景介質(zhì)的折射率比電介質(zhì)棒的折射率小，沿著電磁波的入射方向，所述二維周期性結(jié)構(gòu)依次由以下三個部分組成(1).左增透膜，它的整體輪廓為四邊形，入射邊平行于出射邊，所述入射邊覆蓋全部入射波束，出射邊覆蓋全部出射波束，剩余兩邊全部處在波束范圍之外；(2).主體部分，它的整體輪廓為三角形，其中一邊即入射邊貼著所述左增透膜的出射邊且覆蓋全部入射波束，第二邊即出射邊覆蓋全部出射波束，第三邊全部處在波束傳播范圍之外；(3).右增透膜，它的整體輪廓為四邊形，入射邊平行于出射邊，所述入射邊貼著所述主體部分的出射邊且覆蓋全部入射波束，所述出射邊覆蓋全部出射波束，剩余兩邊全部處在波束傳播范圍之外；在上述二維周期性結(jié)構(gòu)中，主體部分的電介質(zhì)棒的半徑比左、右增透膜中電介質(zhì)棒的半徑大。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述左增透膜呈矩形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述主體部分為直角三角形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述右增透膜是平行四邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述左增透膜為矩形，主體部分為直角三角形，右增透膜為平行四邊形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述電介質(zhì)棒的截面形狀是任意的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，所述電介質(zhì)棒的晶格單元是任意形狀的。
全文摘要
二維光子晶體偏振分束器涉及電磁波偏振分束器領(lǐng)域，其特征在于，它是一種把電介質(zhì)棒插入到折射率比電介質(zhì)棒的折射率要小的背景介質(zhì)而構(gòu)成的二維周期性結(jié)構(gòu)，沿著電磁波入射方向，它依次由左增透膜、主體部分、右增透膜三部分組成，主體部分中電介質(zhì)棒的半徑比其它兩部分的都大。主體部分的入射邊貼著左增透膜的出射邊，右增透膜的入射邊貼著主體部分的出射邊。本發(fā)明具有光子晶體本身所有的標(biāo)度不變性的優(yōu)點；在工作波長相同時，本發(fā)明的晶格常數(shù)比現(xiàn)有的二維光子晶體偏振分束器晶格常數(shù)要小得多，因而具有輕便小巧的優(yōu)點；本發(fā)明還可同時透射兩個相互垂直的偏振分量，其偏振度高，透射率也大。
文檔編號G02B27/28GK1641382SQ20041010182
公開日2005年7月20日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者李列明, 甄宇榮 申請人:清華大學(xué)