專(zhuān)利名稱：基于光子晶體正負(fù)折射的偏振分束器與分束方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏振分束器件，特別是一種基于光子晶體正負(fù)折射的偏振分束器與分束方法。
背景技術(shù)：
光子晶體(Photonic Crystal)是一種人工制作的周期性結(jié)構(gòu)[J.D.Joannopoulos，Photonic crystalsMolding the flow of light，Princeton，1995]，利用介質(zhì)材料如氧化鋁、二氧化硅、硅、砷化鎵、磷化銦等制作的二維周期性結(jié)構(gòu)，也可以是在介質(zhì)背景中二維周期性分布的金屬柱子陣列。所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個(gè)柱子的中心的連線構(gòu)成等腰直角三角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。最短連線的長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù)。因?yàn)槲⒉ê凸獠ㄍ瑸殡姶挪ǎ鼈兊男袨橥瑯幼裱璏axwell方程，所以光子晶體可以應(yīng)用在微波段和光波段，只是兩個(gè)波段的尺寸大小不同。
對(duì)于普通的材料，電磁波束在不同材料的界面上發(fā)生的是正折射，即，入射波[如光子晶體，M.Notomi，Theory of light propagation in strongly modulatedphotonic crystalsRefractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap，Phys.Rev.B 62，10696，2000]與周?chē)h(huán)境(如普通材料或空氣)的界面上，電磁波束可以發(fā)生負(fù)折射，即，入射波束和折射波束在界面法線的同一側(cè)。
文獻(xiàn)[S.Kim，Opt.Lett.28，2384，2003]利用光子晶體的不同偏振態(tài)的禁帶位置不同設(shè)計(jì)了一種偏振分束器，即一個(gè)偏振態(tài)的電磁波束可以透過(guò)光子晶體，而另一個(gè)偏振態(tài)的電磁波束被反射。文獻(xiàn)[X.Y.Chen，Chinese Phys.Lett.21，1285，2004]設(shè)計(jì)了光子晶體線缺陷Y型分支波導(dǎo)，一個(gè)分支波導(dǎo)透過(guò)一個(gè)偏振態(tài)的電磁波而反射另一個(gè)偏振態(tài)的電磁波，另一個(gè)分支波導(dǎo)則反過(guò)來(lái)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于光子晶體正負(fù)折射的偏振分束器與分束方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一、基于光子晶體正負(fù)折射的偏振分束器，有二種結(jié)構(gòu)形式1)在襯底上的介質(zhì)材料中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構(gòu)成光子晶體。
2)在襯底上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列構(gòu)成光子晶體。
所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個(gè)柱子的中心的連線構(gòu)成等腰直角三角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。
所述的陣列的形狀為長(zhǎng)方形或三角形。
二、基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束方法以長(zhǎng)方形或三角形的光子晶體，作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波波束含有兩個(gè)偏振態(tài)，從環(huán)境界面入射后，其中一個(gè)偏振態(tài)的電磁波束在環(huán)境界面上經(jīng)歷負(fù)折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面的法線的同一側(cè)；另一個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束分別位于法線的兩側(cè)，從而把兩個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)偏振分束。
入射電磁波波束與法線的夾角為10°～80°。
本發(fā)明具有的有益的效果是本器件利用光子晶體實(shí)現(xiàn)了偏振分光，兩個(gè)偏振態(tài)的電磁波束都工作在透射模式，具有小尺寸、易于集成、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以用于微波段和光波段。


圖1是介質(zhì)材料中柱子陣列構(gòu)成的平板形光子晶體偏振分束器的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是三角形偏振分束器的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖4是空氣中柱子陣列構(gòu)成的平板形光子晶體偏振分束器的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖5是圖4的B-B剖視圖；圖6是光子晶體能帶結(jié)構(gòu)特征示意圖；圖7是氧化鋁中三角晶格排列的銀圓柱陣列構(gòu)成的光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，黑圓圈代表TE偏振，黑方塊代表TM偏振；圖8是空氣中三角晶格排列的砷化鎵圓柱陣列構(gòu)成的光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，(a)TE偏振，(b)TM偏振。
圖中1、平板形狀，2、三角形狀，3、入射電磁波波束，4、折射電磁波波束，5、折射電磁波波束，6、環(huán)境界面，7、法線，8、介質(zhì)材料，9、襯底，10、介質(zhì)材料柱子陣列。
具體實(shí)施例方式
如圖1、圖2所示，在襯底9上的介質(zhì)材料8中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構(gòu)成光子晶體。
如圖4、圖5所示，在襯底9上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列10構(gòu)成光子晶體。
所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個(gè)柱子的中心的連線構(gòu)成等腰直角三角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。
所述的陣列的形狀為長(zhǎng)方形1(如圖1、圖4所示)或三角形2(如圖3所示)。
所述的介質(zhì)材料板的材料為氧化鋁、二氧化硅、硅、砷化鎵或磷化銦。
基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束方法以長(zhǎng)方形1或三角形2的光子晶體，作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波波束3含有兩個(gè)偏振態(tài)，從環(huán)境界面6入射后，其中一個(gè)偏振態(tài)的電磁波束在環(huán)境界面上經(jīng)歷負(fù)折射，入射電磁波波束3和折射電磁波波束4在光子晶體與環(huán)境界面6的法線7的同一側(cè)；另一個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面6上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束3和折射電磁波波束5分別位于法線7的兩側(cè)，從而把兩個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)偏振分束。
入射電磁波波束3與法線7的夾角為10°～80°。
本發(fā)明涉及的光子晶體，其工作頻率范圍內(nèi)的能帶特征具有圖6的特征，即，對(duì)于偏振態(tài)I來(lái)說(shuō)，隨著波矢增大頻率減小，光子晶體對(duì)這個(gè)偏振態(tài)表現(xiàn)出負(fù)折射效應(yīng)；對(duì)于偏振態(tài)II來(lái)說(shuō)，隨著波矢增大頻率也增大，光子晶體對(duì)這個(gè)偏振態(tài)表現(xiàn)出正折射效應(yīng)。能帶具有圖6的特征的光子晶體就是本發(fā)明的偏振分束元件。把光子晶體切成平板型或三角形，入射電磁波波束在一個(gè)界面上斜入射就可以實(shí)現(xiàn)偏振分束。
實(shí)施例1基于介質(zhì)背景銀納米線陣列的偏振分束器這里的光子晶體是氧化鋁背景中三角晶格排列的銀圓柱陣列，晶格常數(shù)a＝300nm。當(dāng)銀圓柱半徑r＝0.255a時(shí)，該光子晶體在頻率ω＝0.40(2πc/a)時(shí)，TE偏振的等效折射率是-1而TM偏振的等效折射率是+1，相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)如圖7。
實(shí)施例2基于介質(zhì)圓柱陣列的偏振分束器這里的光子晶體是空氣中三角晶格排列的砷化鎵圓柱陣列，晶格常數(shù)a＝1155nm，圓柱半徑r＝0.15a。圖8給出了這種光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，工作頻率為ω＝0.75-0.79(2πc/a)。TE偏振工作在負(fù)折射，而TM偏振是正折射。
權(quán)利要求
1.基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束器，其特征在于在襯底(9)上的介質(zhì)材料(8)中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構(gòu)成光子晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束器，其特征在于所述的二維周期性排列是指陣列中任何相鄰的三個(gè)柱子的中心的連線構(gòu)成等腰直角三角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束器，其特征在于所述的陣列的形狀為長(zhǎng)方形(1)或三角形(2)。
4.基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束器，其特征在于在襯底(9)上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列(10)構(gòu)成光子晶體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束器，其特征在于所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個(gè)柱子的中心的連線構(gòu)成等腰直角三角形的正方晶格，或構(gòu)成等邊三角形的三角晶格。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束器，其特征在于所述的陣列的形狀為長(zhǎng)方形(1)或三角形(2)。
7.基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束方法，其特征在于以長(zhǎng)方形(1)或三角形(2)的光子晶體，作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波波束(3)含有兩個(gè)偏振態(tài)，從環(huán)境界面(6)入射后，其中一個(gè)偏振態(tài)的電磁波束在環(huán)境界面上經(jīng)歷負(fù)折射，入射電磁波波束(3)和折射電磁波波束(4)在光子晶體與環(huán)境界面(6)的法線(7)的同一側(cè)；另一個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面(6)上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束(3)和折射電磁波波束(5)分別位于法線(7)的兩側(cè)，從而把兩個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)偏振分束。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光子晶體正負(fù)折射效應(yīng)的偏振分束方法，其特征在于入射電磁波波束(3)與法線(7)的夾角為10°～80°。
全文摘要
一種基于光子晶體正負(fù)折射的偏振分束器與分束方法。以長(zhǎng)方形或三角形的光子晶體，作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波波束含有兩個(gè)偏振態(tài)，從環(huán)境界面入射后，其中一個(gè)偏振態(tài)的電磁波束在環(huán)境界面上經(jīng)歷負(fù)折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面的法線的同一側(cè)；另一個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束分別位于法線的兩側(cè)，從而把兩個(gè)偏振態(tài)的電磁波波束分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)偏振分束。本發(fā)明利用光子晶體實(shí)現(xiàn)了偏振分光，兩個(gè)偏振態(tài)的電磁波束都工作在透射模式，具有小尺寸、易于集成、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可以用于微波段和光波段。
文檔編號(hào)G02B27/28GK1737616SQ200510060208
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者何賽靈, 敖獻(xiàn)煜 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)