專利名稱：光子晶體波導(dǎo)偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件，具體是指一種基于光子晶體結(jié)構(gòu)所形成的波導(dǎo)內(nèi) 應(yīng)用的偏振分束器。
技術(shù)背景光子晶體是通過各種方法人工地引入周期性介電常數(shù)調(diào)制，其中介電常數(shù) 的周期可與光波長相比的一種微型結(jié)構(gòu)。介電函數(shù)的周期性變化能夠調(diào)制材料 中光子的狀態(tài)模式，使光子帶隙出現(xiàn)，當(dāng)光的頻率位于光子帶隙范圍內(nèi)，它將 不能在光子晶體中的任何方向傳播。光子晶體具有重要的應(yīng)用前景。由于其特 性，可以制作全新原理或以前所不能制作的高性能器件。目前，在理論上和實 驗上所實現(xiàn)的光子晶體偏振分束器主要是利用光子禁帶的偏振依賴性的原理， 其中反射光和折射光利用的最多。這些偏振分束器不僅在結(jié)構(gòu)上不能與現(xiàn)有的 采用波導(dǎo)耦合方法實現(xiàn)的器件相兼容，而且由于采用了反射光和折射光，其光 路比較難于控制。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種光子晶體波導(dǎo)偏振分束器，解決現(xiàn)有偏振分束器 在結(jié)構(gòu)上不能與現(xiàn)有的采用波導(dǎo)耦合方法實現(xiàn)的器件兼容的問題。本發(fā)明的光子晶體波導(dǎo)偏振分束器是根據(jù)光波導(dǎo)定向耦合器的原理實現(xiàn)TE光和TM光的分光。當(dāng)兩個結(jié)構(gòu)完全相同波導(dǎo)靠得非常近時，由于波導(dǎo)之 間的耦合作用，當(dāng)光由一個波導(dǎo)入射時，光會在兩個波導(dǎo)之間呈現(xiàn)空間周期地 耦合向前傳播的現(xiàn)象。如果TE光和TM光有著不同的耦合長度，就可以利用 它們的耦合長度不同把它們分別耦合到不同的波導(dǎo)中去，從而實現(xiàn)TE光和TM光的分光。如，假設(shè)TE光的耦合長度為LE， TM光的耦合長度為LM。如果 我們選擇兩個波導(dǎo)之間耦合區(qū)域的長度為L—禹數(shù)XLE， ！^奇數(shù)XLM，那么 TE光經(jīng)過偶數(shù)次耦合后又回到原來的波導(dǎo)中傳播，而TM光經(jīng)過奇數(shù)次耦合 后到另外一個波導(dǎo)中傳播，從而實現(xiàn)TE光和TM光的分光。由于光子晶體波 導(dǎo)與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比有著很多優(yōu)勢例如彎曲損耗很低、有利于與其他光子晶體 元件集成等，本發(fā)明采用光子晶體波導(dǎo)實現(xiàn)偏振分束器。基于上述設(shè)計思路，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是在二維介電柱型正方格子 的光子晶體中引入波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)TE光和TM光的分光。我們采用與其他 光子晶體器件(如，波分復(fù)用器、定向耦合器)完全兼容的結(jié)構(gòu)，以便能夠與 這些器件形成集成光路，如附圖1所示。入射光由波導(dǎo)4的端口 1入射，在耦 合區(qū)，TE光經(jīng)過兩次耦合后最終回波導(dǎo)4，由端口2引出；TM經(jīng)過一次耦合 到波導(dǎo)5，由端口3引出。光子晶體的介電柱材料為碲單晶，此材料的特點為 各向異性材料，在波長為3.5 pm到35 pm的范圍內(nèi)，其尋常光的折射率n。=4.8， 反常光的折射率r^6.2。在設(shè)計器件時，使得反常光軸的方向平行于介電圓柱的方向，器件結(jié)構(gòu)按 如下方法確定晶格常數(shù)為a和耦合區(qū)域長度為丄2 ，可以根據(jù)分光波長A的需要進行調(diào)節(jié)， 其量級為微米，其中a= 0.3894 x A (1) A—禺?dāng)?shù)XLE -奇數(shù)XLM ' (2)式中LE, LM可以通過如附圖2所示平面波展開方法得到。 波導(dǎo)的寬度(波導(dǎo)上下兩行介電圓柱之間的距離)W=2xa (3)入射端口1到耦合區(qū)邊緣的長度Z:3fl (4)介電圓柱的直徑D=0,4xa (5)由耦合區(qū)向非耦合區(qū)過渡的長度Z3=4xa (6)如附圖1中在直角彎處波導(dǎo)凸直角6處刪除一個介電柱，波導(dǎo)凹直角7處補--丌電柱。非耦合區(qū)邊緣到出射端口的長度丄423" (7)波導(dǎo)4到上邊界的距離￡723fl (8)波導(dǎo)4到5的距離丄,3a (9) 波導(dǎo)5到下邊界的距離丄^3fl (10)本發(fā)明所實現(xiàn)的偏振分束器的優(yōu)點集中表現(xiàn)在它可以在光子晶體波導(dǎo)中 直接被集成進去，這是目前所有偏振分束器所難以實現(xiàn)的，也是在集成光學(xué)中 采用光子晶體不斷把光集成系統(tǒng)微型化中不可缺少的基本器件。


圖1為本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1——光入射端口；2——TE光出射端口；3——TM光出射端口；4——入射波導(dǎo)；5— —耦合波導(dǎo)；6——波導(dǎo)拐角的凸直角；7——波導(dǎo)拐角凹直角。圖2為本發(fā)明器件的TE光和TM光的耦合長度。圖3為本發(fā)明的TE光的FDTD模擬結(jié)果(歸一化的頻率為0.3893(a/2 ))。 圖4為本發(fā)明的TM光的FDTD模擬結(jié)果(歸一化的頻率為0.3893(a/;i ))。 圖5為本發(fā)明器件的TE光透射譜。 圖6為本發(fā)明器件的TM光透射譜。 圖7為本發(fā)明器件的消光比曲線圖。
具體實施方式
根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)解決方案，我們以工作波長為A-5.13pm的偏振分束器為 例，結(jié)合附圖l來說明器件的實施方法。 器件主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計如下器件的晶格常數(shù)(兩圓柱型介電柱之間的距離)a=0.3894>a=2Um。 介電圓柱的直徑D=0.4xa=0.8um。波導(dǎo)的寬度(波導(dǎo)上下兩行介電圓柱之間的距離)W=2xa=4um。 入射端口l到耦合區(qū)邊緣的長度Z^3a實施例中取Z,4xfl二8um。 耦合區(qū)長度i2=23xa=46um 。由耦合區(qū)向非耦合區(qū)過渡的長度￡3=4xa=8um。(注，在直角彎處波導(dǎo)凸 直角6處刪除一個介電柱，波導(dǎo)凹直角7處補了一個介電柱，)。非耦合區(qū)到出射端口的長度丄4》3 ,實施例中取^二7xo-14um。波導(dǎo)4到上邊界的距離￡723"，實施例中取A-3x"-6um。 波導(dǎo)4到5的距離乂23"，實施例中取Z「4xc^8um。 波導(dǎo)5到下邊界的距離丄^3a，實施例中取Z5=3x"=6um。 系統(tǒng)性能如下-器件的透射譜TE光和TM光分別對應(yīng)的的透射率如附圖5、 6所示，從 圖中可以看出，在義=5.13^1111光波長附近，端口 2對TE光的透過率達到84yo， 端口 3對于TM光的透過率更高達98。/c)。 g卩84。/。左右的TE光從端口 2出射， 98%的TM光從端口 3出射。附圖3、 4是光波長在義二5.13um時，分別對TE 光和TM光模擬的結(jié)果，從圖中可以看出在這個頻率上實現(xiàn)了很好的分光。器件的消光比在TE光的出射端口 2，其消光比定義為其中，4是TE光在端口 2的出射光強；Am是TM光在端口 2的出射光強；i 油》 的單位是分貝。同樣在TM光的出射端口3，其消光比定義為其中，Am是TM光在端口 3的透射光強；Pre是TE光在端口 3的透射光強；i "^的單位是分貝。器件的消光比是對出射光偏振度進行衡量的一個重要參數(shù)，其 物理含義是在光的出射端口一種偏振光的強度是另一種偏振光的強度的多少倍。我們所得到器件的消光比譜線圖如附圖7所示。從圖中可以看出在光波長 為A-5.13pm附近，TE光出射端口 2和TM光出射端口 3的消光比分別達到了 19dB和20dB。這一結(jié)果表明從端口 2出射的TE光和從端口 3出射的TM光 有著很高的偏振度。我們可以通過調(diào)節(jié)器件的晶格常數(shù)a的取值來獲得工作于其他波長的器件。例如，我們需要獲得工作于波長為8pm的器件，我們可以通過換算公式 ^0.3894"得到工藝中需要的晶格常數(shù)a=3.12fim。按照此參數(shù)去制備器件， 即可得到工作中心波長為8jiim的偏振分束器。
權(quán)利要求
1. 一種光子晶體波導(dǎo)偏振分束器，其特征在于它是在二維碲介電柱光子晶體中引入線缺陷形成耦合波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，利用TE光和TM光的波導(dǎo)耦合長度不同實現(xiàn)TE光和TM光的分光，分束器件結(jié)構(gòu)參數(shù)按如下方法確定晶格常數(shù)a和耦合區(qū)域長度L2a＝0.3894×λ(1)L2＝偶數(shù)×LE＝奇數(shù)×LM (2)式中LE，LM分別為TE光和TM光的耦合長度，可以通過平面波展開方法得到；波導(dǎo)的寬度WW＝2×a (3)入射端口1到耦合區(qū)邊緣的長度L1L1≥3a(4)介電圓柱的直徑DD＝0.4×a (5)由耦合區(qū)向非耦合區(qū)過渡的長度L3L3＝4×a (6)并且在直角彎處波導(dǎo)凸直角(6)處刪除一個介電柱，波導(dǎo)凹直角(7)處補一個介電柱；非耦合區(qū)邊緣到出射端口的長度L4L4≥3a(7)波導(dǎo)4到上邊界的距離L7L7≥3a(8)波導(dǎo)4到5的距離L6L6≥3a (9)波導(dǎo)5到下邊界的距離L5L5≥3a (10)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體波導(dǎo)偏振分束器。它是在二維碲介電柱光子晶體中引入線缺陷形成耦合波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，利用TE光和TM光的波導(dǎo)耦合長度不同實現(xiàn)TE光和TM光的分光。采用二維光子晶體波導(dǎo)實現(xiàn)偏振分束器的特點是首先，與現(xiàn)有各類偏振分束器件相比，它可以實現(xiàn)高偏振度、高消光比的偏振分光。其次，器件的尺寸可以做得很小，并與現(xiàn)有的光子晶體器件在結(jié)構(gòu)上兼容，滿足集成化的要求。第三，結(jié)構(gòu)非常靈活，可以通過調(diào)節(jié)耦合區(qū)長度或晶格常數(shù)，實現(xiàn)波長在3.5到35μm范圍內(nèi)的任意一波長的偏振分光。本發(fā)明還介紹了該偏振分束器的設(shè)計思路、具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及在此設(shè)計思想下所獲得的偏振分束器的光學(xué)性能等。
文檔編號G02B6/27GK101251627SQ20081003532
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者波 張, 寧 李, 李天信, 李志鋒, 健 王, 甄紅樓, 衛(wèi) 陸, 陳平平, 陳效雙 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所