專利名稱：光子晶體比例光強(qiáng)分光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波和光波的分光器，可以將入射光的光強(qiáng)按比例分成多束光輸出。
背景技術(shù)：
光子晶體是電介質(zhì)呈周期排列的人工結(jié)構(gòu)，它的特性是具有光子帶隙。光子帶隙是這樣一個(gè)頻率范圍，頻率落在這個(gè)范圍里的光不能在光子晶體內(nèi)存在和傳播。而當(dāng)原來完整的周期結(jié)構(gòu)局部地受到破壞時(shí)，就構(gòu)成缺陷，并在光子帶隙里引入缺陷模，相應(yīng)頻率的光將被限制在缺陷的范圍里。如果構(gòu)成的是線缺陷，光將沿著線缺陷的方向傳播，并可以幾乎沒有損耗地轉(zhuǎn)過半徑為波長量級的彎。由于光子晶體具有非常良好的控制光的能力，它具有眾多應(yīng)用前景，比如微腔激光器，光子晶體光纖等。其中最引入注目的是基于光子晶體的集成光學(xué)芯片。許多基于光子晶體的適于集成的光學(xué)器件已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，并表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，比如濾波器，光開關(guān)，波分復(fù)用器件等等。分光器是光學(xué)系統(tǒng)中非常重要的組件。以往曾經(jīng)出現(xiàn)過兩種基于光子晶體的分光器的結(jié)構(gòu)。一種是如圖1所示的Y型分光器(文獻(xiàn)1，S.Boscoloand M.Midrio，Y junctions in photonic crystal channel waveguideshigh transmissionand impedance matching，Opt.Lett.v.27，1001(2002)的)。這種分光器利用一個(gè)Y形的線缺陷，將輸入光分別導(dǎo)入到兩個(gè)分支中。由于有一部分光在分支處被反射，所以它的效率比較低。另一種是如圖2所示的利用波導(dǎo)定向耦合(directional coupling)性質(zhì)的分光器(文獻(xiàn)2，Insu Park et al.Photonic crystal power-splitter based on directional coupling，Opt.Express v.12，3599(2004))。這種分光器在輸入波導(dǎo)兩側(cè)設(shè)置了兩個(gè)對稱而且平行的波導(dǎo)，輸入光在波導(dǎo)平行的區(qū)域內(nèi)發(fā)生定向耦合，其結(jié)果是輸入光被耦合到兩側(cè)的平行波導(dǎo)中并被引到兩個(gè)輸出端口。兩個(gè)輸出端口的透過率(定義為一個(gè)端口的輸出光強(qiáng)與分光器的入射光強(qiáng)的比)均在47.6％左右，效率較高。然而，這兩種分光器都只能提供光強(qiáng)相等的兩束輸出光，從而限制了它在需要不同強(qiáng)度的光的場合中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種光子晶體比例光強(qiáng)分光器，使其能夠按照需要將輸入光的能量按比例分配到各個(gè)輸出端口，并進(jìn)一步提高分光器件的使用效率。
技術(shù)方案如下一種光子晶體比例光強(qiáng)分光器件，包括光子晶體和在光子晶體內(nèi)引入線缺陷構(gòu)成的入射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)，所述的入射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)之間存在一段互相平行的定向耦合區(qū)。該器件呈一級或多級樹狀結(jié)構(gòu)，在多級結(jié)構(gòu)中，上一級的各輸出光強(qiáng)作為下一級各分支的輸入光強(qiáng)，各分支輸出端口的輸出光強(qiáng)與輸入端口的入射光強(qiáng)的比值T和相應(yīng)的定向耦合區(qū)的長度l的關(guān)系為
T1(l)＝sin2[πl(wèi)/(2Lc)]，T2(l)＝cos2[πl(wèi)/(2Lc)]，式中T1是與入射波導(dǎo)相連的輸出端口的輸出光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值，T2是與耦合波導(dǎo)相連的輸出端口的輸出光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值，Lc是在定向耦合區(qū)內(nèi)光強(qiáng)從一個(gè)波導(dǎo)完全耦合到另一個(gè)波導(dǎo)所需經(jīng)歷的距離。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的每一級的定向耦合區(qū)內(nèi)兩平行波導(dǎo)間距為1～4倍晶格常數(shù)，其相鄰輸出端口間的距離至少為8倍的晶格常數(shù)。
本發(fā)明所述的光子晶體呈四方晶格或者三角晶格排列；所述的光子晶體為二維或三維光子晶體結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的比例分光器的利用定向耦合的原理將一束光的能量耦合到兩個(gè)波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)分光的效果，輸出光的強(qiáng)度比例可按需要進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，并且沒有能量被反射回去，可以實(shí)現(xiàn)很高的分光效率，接近100％。按照同樣的原理，通過進(jìn)一步將已分開的光進(jìn)行分光，可以設(shè)計(jì)出多呈樹狀結(jié)構(gòu)的多級比例光強(qiáng)輸出分光器件。本發(fā)明的比例光強(qiáng)分光器可以在二維或三維光子晶體上實(shí)現(xiàn)。


圖1現(xiàn)有技術(shù)中Y型分光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2現(xiàn)有技術(shù)中等光強(qiáng)輸出的定向耦合分光器。
圖3實(shí)施例1的光子晶體比例光強(qiáng)分光器件。
圖4實(shí)施例1中定向耦合產(chǎn)生的奇模和偶模的色散曲線。
圖5實(shí)施例1的光子晶體比例光強(qiáng)分光器件兩輸出端口的輸出透過率曲線。
圖6實(shí)施例2的具有2級的比例光強(qiáng)輸出分光器件。
其中1，2表示光子晶體波導(dǎo)；3表示光子晶體；4為輸入端口；5和6為兩個(gè)輸出端口；l0，l1，l2，l3表示各定向耦合區(qū)的耦合長度；I0，I1，I2，I3，I4，I5，I6，I7表示不同端口的輸入或輸出光強(qiáng)。
具體實(shí)施例方式
圖3為本發(fā)明提供的只有一級的光子晶體比例光強(qiáng)分光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中入射波導(dǎo)1和耦合波導(dǎo)2在l0長度內(nèi)平行，且間隔1～4倍晶格常數(shù)的距離，這個(gè)區(qū)域稱為定向耦合區(qū)。
本實(shí)施例采用2倍晶格常數(shù)的距離。光強(qiáng)為I0的入射光在這里發(fā)生定向耦合。在定向耦合區(qū)右端，兩個(gè)波導(dǎo)內(nèi)各自的光強(qiáng)將被分別引到相應(yīng)的第一輸出端口5和第二輸出端口6。為了使分光后的兩束光不會(huì)互相干擾，通向輸出端口的波導(dǎo)的間距應(yīng)在8倍晶格常數(shù)以上。圖3中采用間隔為12倍的晶格常數(shù)。輸出光強(qiáng)I1和I2就等于兩波導(dǎo)內(nèi)在定向耦合區(qū)右端的光強(qiáng)。根據(jù)正交模理論，在發(fā)生定向耦合的區(qū)域內(nèi)，原來單一波導(dǎo)中的傳播常數(shù)為β的單模將分裂成一個(gè)奇模和一個(gè)偶模，傳播常數(shù)分別為βodd和βeven，它們的場分布相對于兩平行波導(dǎo)之間的平面分別呈奇對稱和偶對稱。奇模和偶模的疊加結(jié)果是使得光強(qiáng)在兩個(gè)波導(dǎo)中來回切換。光強(qiáng)從一個(gè)波導(dǎo)完全切換到另一個(gè)波導(dǎo)所經(jīng)歷的長度為Lc＝π/|βodd-βeven|，其中的βodd和βeven可以利用平面波展開法計(jì)算得到。在定向耦合區(qū)內(nèi)，波導(dǎo)2中奇模和偶模的波函數(shù)分別可以表示為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是角頻率和時(shí)間，＝±π，是奇模和偶模的初位相差，x軸平行于波導(dǎo)2并以波導(dǎo)2的左端為起始點(diǎn)。波導(dǎo)2內(nèi)的總的波函數(shù)E2可以由(1)式和(2)式表示的奇模和偶模的波函數(shù)相加得到E2＝Eodd，2+Eeven，2(3)于是，經(jīng)過進(jìn)一步推到可以得到波導(dǎo)2中的光強(qiáng)沿波導(dǎo)方向的分布函數(shù)I(x)＝I0sin2[πx/(2Lc)]， (4)其中I0是從入射端口4入射光的光強(qiáng)。波導(dǎo)2中在x＝l0處的光強(qiáng)將被引到輸出第一輸出端口5，而其余的光強(qiáng)就沿著波導(dǎo)1被引導(dǎo)第二輸出端口6。定義輸出端口的透過率為各端口輸出光強(qiáng)與分光器輸入光強(qiáng)的比，于是波導(dǎo)1和波導(dǎo)2對應(yīng)的輸出端口(分別是圖1中的6和5)的透過率T1和T2分別可以表示為定向耦合的長度l0的函數(shù)T1(l0)＝cos2[πl(wèi)0/(2Lc)]，(5)T2(l0)＝sin2[πl(wèi)0/(2Lc)]. (6)這樣，圖3所示的光子晶體比例光強(qiáng)分光器的兩輸出端口的光強(qiáng)的分配比例可以通過調(diào)節(jié)定向耦合的長度靈活設(shè)定。
利用定向耦合的性質(zhì)將分光器各輸出光強(qiáng)進(jìn)一步分離，可以方便地實(shí)現(xiàn)多級樹狀結(jié)構(gòu)的分光器。根據(jù)前面所敘述的原理，各輸出端口的光強(qiáng)分配可以靈活設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)多于2個(gè)輸出光強(qiáng)的比例光強(qiáng)分光器件(圖6)。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明實(shí)施例1只有一級的光子晶體比例光強(qiáng)分光器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括光子晶體3、在光子晶體內(nèi)引入線缺陷構(gòu)成的入射波導(dǎo)1和耦合波導(dǎo)2，圖中l(wèi)0為入射波導(dǎo)1和耦合波導(dǎo)2平行區(qū)域的長度，即定向耦合長度，這段區(qū)域即為定向耦合區(qū)。定向耦合區(qū)內(nèi)兩個(gè)光子晶體波導(dǎo)的間隔距離為2倍晶格常數(shù)；通向輸出端口的波導(dǎo)的間隔為12倍的晶格常數(shù)。光子晶體的結(jié)構(gòu)為呈四方晶格排列在空氣中的介質(zhì)柱，介質(zhì)柱的介電常數(shù)為ε＝8.9，半徑為r＝0.25a，其中a是晶格常數(shù)。這種光子晶體具有TM模(電場方向平行于介質(zhì)柱的軸向)的帶隙范圍a/λ＝0.29～0.39。定向耦合區(qū)的缺陷模色散曲線如圖4所示，是利用平面波展開法計(jì)算得到的。從圖4可以得到，當(dāng)歸一化頻率為a/λ＝0.34的入射光入射時(shí)，定向耦合區(qū)內(nèi)的奇模和偶模的傳播常數(shù)分別為βodd＝0.298和βeven＝0.365，于是Lc＝π/|βodd-βeven|＝15。把Lc代入(5)式和(6)式，得到耦合長度l0取不同的值時(shí)I1和I2所占入射光強(qiáng)I0的比例，如圖5所示。于是，根據(jù)圖5可以按照對輸出光強(qiáng)比例的要求確定耦合長度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。
實(shí)施例2具有2級的光子晶體比例光強(qiáng)分光器，結(jié)構(gòu)如圖6所示，由四個(gè)波導(dǎo)構(gòu)成，圖中虛線左邊的部分為第一級分光器，虛線右邊為兩個(gè)第二級的分光器，第一級分光器的兩個(gè)輸出光強(qiáng)分別作為第二級兩個(gè)分光器的輸入光強(qiáng)，兩級組合的結(jié)果得到4束不同強(qiáng)度的輸出光。光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)施例1的相同。第一級的輸入光強(qiáng)I3經(jīng)過長度為l1的第一個(gè)定向耦合區(qū)后分成兩束光，這兩束光作為第二級的兩個(gè)分支的輸入光分別再經(jīng)過長度為l2和l3的定向耦合區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步分光，最后得到四束輸出光I4，I5，I6和I7。圖中三個(gè)耦合長度為l1＝21a，l2＝19a，l3＝18a。四個(gè)輸出端口的輸出光強(qiáng)的比為I4∶I5∶I6∶I7＝7.5∶0.22∶1∶6。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體比例光強(qiáng)分光器件，包括光子晶體(3)，在光子晶體內(nèi)引入線缺陷構(gòu)成的入射波導(dǎo)(1)和耦合波導(dǎo)(2)，所述的入射波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)之間存在一段互相平行的長度為l的定向耦合區(qū)，其特征在于該器件呈一級或多級樹狀結(jié)構(gòu)，在多級的結(jié)構(gòu)中，上一級的輸出光強(qiáng)作為下一級的輸入光強(qiáng)，每一級的輸出端口的輸出光強(qiáng)與輸入端口的入射光強(qiáng)的比值T與定向耦合區(qū)的長度l的關(guān)系為T1(l)＝sin2[πl(wèi)/(2Lc)]，T2(l)＝cos2[πl(wèi)/(2Lc)]，式中T1是與入射波導(dǎo)相連的輸出端口的輸出光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值，T2是與耦合波導(dǎo)相連的輸出端口的輸出光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值，Lc是在定向耦合區(qū)內(nèi)光強(qiáng)從一個(gè)波導(dǎo)完全耦合到另一個(gè)波導(dǎo)所需經(jīng)歷的距離。
2.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體比例光強(qiáng)分光器件，其特征在于所述的每一級的定向耦合區(qū)內(nèi)兩平行波導(dǎo)間距為1～4倍晶格常數(shù)，其相鄰輸出端口間的距離至少為8倍的晶格常數(shù)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的光子晶體比例光強(qiáng)分光器件，其特征在于所述的光子晶體呈四方晶格或者三角晶格排列。
4.按照權(quán)利要求1所述的光子晶體比例光強(qiáng)分光器，其特征在于所述的光子晶體為二維或三維光子晶體結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種光子晶體比例光強(qiáng)分光器件，涉及一種光子晶體比例光強(qiáng)分光器件。本發(fā)明通過在二維或三維光子晶體中引入線缺陷構(gòu)成輸入波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)，利用定向耦合的原理，將由輸入波導(dǎo)輸入的光強(qiáng)按所需的比例分配到輸入波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)各自導(dǎo)向的輸出端口，實(shí)現(xiàn)比例分光的作用。該器件呈一級或多級樹狀結(jié)構(gòu)，上一級的兩束輸出光分別成為下一級兩個(gè)分支的輸入光。多級結(jié)構(gòu)的分光器可以將一束輸入光按照光強(qiáng)的比例要求分成兩束以上的輸出光。該器件的損耗非常小，效率接近100％。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1715996SQ20051001211
公開日2006年1月4日 申請日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者黃聲野, 王東生, 史俊鋒 申請人:清華大學(xué)