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大，不利于集成光學的要求。

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。
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、它具有二維周期性結(jié)構(gòu)，所述二維周期性結(jié)構(gòu)是以下兩種中的任何一種背景介質(zhì)以及插入其中的電介質(zhì)棒二者構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；
固體背景介質(zhì)以及用任意方法在背景介質(zhì)中形成的空氣棒二者構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；所述背景介質(zhì)和電介質(zhì)棒是任意一種電介質(zhì)，但背景介質(zhì)的折射率比電介質(zhì)棒的折射率大；沿著電磁波入射方向自左至右，所述二維周期性結(jié)構(gòu)的整體輪廓為四邊形，它具有兩條平行邊，左平行邊即入射邊覆蓋全部入射波束，且與入射的電磁波有一個夾角，右平行邊即出射邊覆蓋全部出射波束，剩余兩條邊全處在波束傳播范圍之外。
2、所述二維周期性結(jié)構(gòu)呈平行四邊形。
3、所述電介質(zhì)棒的截面形狀是任意的。
4、所述電介質(zhì)棒的晶格單元是任意形狀的。
此結(jié)構(gòu)的分束原理是對P波，該結(jié)構(gòu)的平均折射率小，與背景介質(zhì)的折射率之差大，全反射角就??；對S波則反之。因此，選擇入射邊與電磁波入射方向成一特定角度，只要該角度大于P波的全反射角而小于S波的全反射角，就可以使P波全反射，而S波部分反射部分透射。此時因為沒有透射P波，所以透射S波的偏振度極高；而為了提高反射P波的偏振度，必須減少反射S波，即提高S波的透射率，這時只要調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)中入射邊和出射邊的距離即可。
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，尺寸受的限制也小。


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240a，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，選擇硅(折射率n＝3.4)為背景介質(zhì)，電介質(zhì)棒陣列為空氣(折射率n＝1.0)。分束器整體輪廓為平行四邊形(圖2中用虛線表示)，其中平行于電磁波入射方向的兩短邊長度為10a，距離d＝246a，長邊與短邊垂線的夾角θ＝47°，棒半徑0.39a。
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)0度和86度，偏振度分別為99.9％和99.1％，能量利用率分別為98.2％和95.7％。
權(quán)利要求
1.二維光子晶體偏振分束器，其特征在于，它具有二維周期性結(jié)構(gòu)，所述二維周期性結(jié)構(gòu)是以下兩種中的任何一種背景介質(zhì)以及插入其中的電介質(zhì)棒二者構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；固體背景介質(zhì)以及用任意方法在背景介質(zhì)中形成的空氣棒二者構(gòu)成的結(jié)構(gòu)；所述背景介質(zhì)和電介質(zhì)棒是任意一種電介質(zhì)，但背景介質(zhì)的折射率比電介質(zhì)棒的折射率大；沿著電磁波入射方向自左至右，所述二維周期性結(jié)構(gòu)的整體輪廓為四邊形，它具有兩條平行邊，左平行邊即入射邊覆蓋全部入射波束，且與入射的電磁波有一個夾角，右平行邊即出射邊覆蓋全部出射波束，剩余兩條邊全處在波束傳播范圍之外。
2.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，所述二維周期性結(jié)構(gòu)呈平行四邊形。
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，所述電介質(zhì)棒的截面形狀是任意的。
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屬于電磁波偏振分束器領(lǐng)域，其特征在于，它是一種二維周期性結(jié)構(gòu)，它是通過把電介質(zhì)棒插入背景介質(zhì)中，或者在固體背景介質(zhì)中用任意方法形成空氣棒而構(gòu)成的，但背景介質(zhì)的折射率要大于電介質(zhì)棒的。沿著電磁波入射方向自左至右，該周期性結(jié)構(gòu)為四邊形，左平行邊即入射邊覆蓋全部入射波束，且與入射的電磁波有一個夾角，右平行邊覆蓋全部出射波束，其余兩條邊全處在波束傳播范圍之外。本發(fā)明具有光子晶體本身所有的標度不變性的優(yōu)點；在工作波長相等時，它的晶格常數(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，具有輕便小巧的優(yōu)點。
文檔編號G02B5/30GK1641383SQ20041010182
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