基于異構(gòu)二維光子晶體的y型偏振濾波分束器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，由兩種陣列結(jié)構(gòu)的二維光子晶體波導(dǎo)組成。入射電磁波在接觸到濾波型光子晶體時(shí)，電磁波中的TE或TM偏振分量會(huì)被完全反射掉；保留下的偏振分量進(jìn)入分束型光子晶體傳播并分為兩束強(qiáng)度比為1:1的單偏振光輸出。本發(fā)明兼具偏振濾波和分束器的功能，具有結(jié)構(gòu)緊湊，偏振度高，高消光比，并可針對(duì)工作波長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】 基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出了基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，涉及偏振濾波、光波分束及光子晶體波導(dǎo)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]Y波導(dǎo)是偏振式光學(xué)傳感系統(tǒng)(如光纖陀螺)的核心部件。隨著對(duì)高精度和微小型光學(xué)傳感器的研制需要以及集成光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段的Y波導(dǎo)普遍是由質(zhì)子交換技術(shù)加鈮酸鋰晶體制成的，它的起偏器中有兩條相互正交的快軸和慢軸，它的偏振作用從本質(zhì)上來(lái)講，是將互相垂直的兩個(gè)偏振分量分開(kāi)傳播。因其消光性能有限，兩個(gè)偏振光不能被完全分開(kāi)，導(dǎo)致在傳輸過(guò)程中，這兩束光會(huì)不斷發(fā)生交叉耦合，從而產(chǎn)生偏振誤差。如何抑制乃至消除偏振交叉耦合，達(dá)到高消光比，一直是提高Y波導(dǎo)乃至光學(xué)傳感器性能的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。另外，現(xiàn)有Y波導(dǎo)所采用的鈮酸鋰(或鈦酸鋰)限制了 Y波導(dǎo)的工作波段，僅覆蓋了 850nm, 1300nm和1550nm等特定波段,從而限制了光源的選擇。
[0003]光子晶體是一種折射率周期性變化的具有光子禁帶的電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺度與光波波長(zhǎng)相當(dāng)。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(shí)將會(huì)被完全反射。不同的偏振方向具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)帶隙的位置也不相同，因此如果入射電磁波中的某一個(gè)偏振分量處于帶隙而另一個(gè)偏振不處于帶隙，則前者會(huì)被完全反射，后者完全透射，因此在透射出去的電磁波中僅僅包含一個(gè)偏振分量。同理，如果在光子晶體中引入缺陷，那么頻率處在帶隙中的偏振分量會(huì)被束縛在缺陷中傳播，而另一個(gè)偏振分量則會(huì)全部輻射出去。
[0004]利用上述光子晶體偏振濾波的帶隙效應(yīng)和缺陷大角度彎折時(shí)理論上可接近無(wú)損導(dǎo)光的特點(diǎn)，為Y型波導(dǎo)單偏振導(dǎo)光的需求以達(dá)到極高的偏振消光比；同時(shí)，通過(guò)光子晶體的材料選擇和介質(zhì)柱半徑的參數(shù)調(diào)節(jié)，基于二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器理論上可以工作于任意波段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了實(shí)現(xiàn)Y波導(dǎo)的高消光比和微型化，本發(fā)明的目的是提供一種基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，偏振度高，高消光比，可針對(duì)工作波長(zhǎng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
一種基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，沿著電磁波的入射方向，它包括相鄰的濾波型光子晶體和分束型光子晶體:
所述的濾波型光子晶體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和反射波束，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；所述的濾波型光子晶體包括濾波型基底、濾波型背景材料和濾波型柱狀材料，濾波型基底蝕刻有規(guī)則排列的濾波型柱狀材料，間隙由濾波型背景材料填充；所述的濾波型背景材料和濾波型柱狀材料構(gòu)成濾波型陣列結(jié)構(gòu)；所述的濾波型基底和濾波型柱狀材料使用同一材料制成；
所述的分束型光子晶體，它的整體輪廓可為任意形狀，其中一邊緊貼著濾波型光子晶體的出射邊，內(nèi)部有缺陷所構(gòu)成的Y型導(dǎo)波光路，入射電磁波在透射過(guò)濾波型光子晶體后，從Y型缺陷的入射口耦合進(jìn)分束型光子晶體，并分成強(qiáng)度比為:的兩束單偏光輸出；所述的分束型光子晶體包括分束型基底、分束型背景材料和分束型柱狀材料，分束型基底上蝕刻有規(guī)則排列的分束型柱狀材料，間隙由分束型背景材料填充；所述的分束型背景材料和分束型柱狀材料構(gòu)成分束型陣列結(jié)構(gòu)；所述的分束型基底和分束型柱狀材料使用同一材料制成；
所述的分束器具有偏振濾波和分束的作用。
[0007]所述的濾波型陣列結(jié)構(gòu)、分束型陣列結(jié)構(gòu)是六角形或正方形結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的分束型背景材料為氣體或液體或固體材料；所述的分束型柱狀材料為固體材料。
[0009]所述的濾波型背景材料為氣體或液體或固體材料；所述的濾波型柱狀材料為固體材料。
[0010]所述的濾波型柱狀材料和分束型柱狀材料的截面形狀為任意形狀。
[0011]所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器應(yīng)用于偏振式光學(xué)傳感系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明的偏振濾波原理是:濾波型光子晶體存在帶隙，而入射電磁波中的某一偏振分量的頻率落在該帶隙中，于是該偏振分量會(huì)被濾波型光子晶體結(jié)構(gòu)完全反射回去，而另一偏振分量則沿著電磁波入射方向完全透射出去。
[0013]本發(fā)明的光波分束原理是:分束型光子晶體存在帶隙，從濾波型光子晶體機(jī)構(gòu)透射過(guò)來(lái)的偏振分量的頻率落在該帶隙內(nèi)，因此會(huì)被束縛在Y型缺陷內(nèi)傳輸。由于光子晶體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，該偏振光會(huì)被分成強(qiáng)度比為1:1的兩束單偏光輸出。
[0014]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明利用光子晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)入射電磁波進(jìn)行偏振濾波和光波分束，并且具有結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，通過(guò)選擇不同的背景折射率，介質(zhì)柱折射率，介質(zhì)柱尺寸及形狀等參數(shù)，可以制成對(duì)應(yīng)不同工作波長(zhǎng)的Y型偏振濾波分束器。目前已公開(kāi)的文獻(xiàn)中尚未有相似的發(fā)明設(shè)計(jì)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是二維光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶示意圖；
圖2是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖2中的濾波型光子晶體波導(dǎo)I的剖面圖；
圖4是圖2中的分束型光子晶體波導(dǎo)2的剖面圖；
圖中，濾波型光子晶體1、分束型光子晶體2、濾波型柱狀材料3、濾波型背景材料4、分束型柱狀材料5、分束型背景材料6、濾波型陣列結(jié)構(gòu)7、分束型陣列結(jié)構(gòu)8、濾波型基底9、分束型基底10。
【具體實(shí)施方式】[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]本發(fā)明基于光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)濾波和分束功能。具體來(lái)說(shuō)，空間上周期排布的光子晶體是具有能帶結(jié)構(gòu)的，而能帶和能帶之間存在帶隙；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(shí)將會(huì)被完全反射。不同的偏振方向具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)帶隙的位置也不相同，因此如果入射電磁波中的某一個(gè)偏振分量處于帶隙而另一個(gè)偏振不處于帶隙，則前者會(huì)被完全反射，后者完全透射，因此在透射出去的電磁波中僅僅包含一個(gè)偏振分量。同理，如果在光子晶體中引入缺陷，那么頻率處在帶隙中的偏振分量會(huì)被束縛在缺陷中傳播，而另一個(gè)偏振分量則會(huì)全部輻射出去。影響光子晶體帶隙的因素包括背景材料折射率，介質(zhì)柱折射率，介質(zhì)柱的幾何形狀及尺寸等。通過(guò)選擇合適的參數(shù)，便可以得到使用不同工作波段的優(yōu)質(zhì)濾波型Y波導(dǎo)。
[0018]本發(fā)明設(shè)計(jì)的以砷化鎵為基底材料的光子晶體，其具有如圖1所示的能帶特征。圖1中的右斜線代表的是TE帶隙，左斜線代表的是TM帶隙。從圖中可以看到TE的帶隙在210THz附近，而TM的帶隙在530THZ附近，這兩條帶隙不存在重疊區(qū)域。如果入射電磁波的頻率為210THZ，則它的TE偏振分量會(huì)被該光子晶體完全反射回去，僅保留TM偏振分量透射過(guò)去。同理，如果電磁波的頻率為530THZ，則TM偏振分量無(wú)法通過(guò)該光子晶體結(jié)構(gòu)，僅TE分量可以透射過(guò)去。
[0019]當(dāng)包含TE和TM兩個(gè)正交偏振分量的電磁波從左側(cè)入射時(shí)，首先會(huì)遇到濾波型光子晶體1，因?yàn)門E分量的頻率落在濾波型光子晶體I的帶隙內(nèi)，所以TE分量會(huì)被濾波型光子晶體I完全反射回去，而TM分量則完全透射過(guò)濾波型光子晶體1，并耦合進(jìn)分束型光子晶體2中。而TM偏振分量的頻率落在分束型光子晶體2的帶隙中，因此該分量會(huì)被束縛在Y型缺陷中傳輸。因?yàn)榉质凸庾泳w2的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，TM分量會(huì)被分成兩束強(qiáng)度比為1:1的單偏光輸出。
[0020]如圖2、3、4所示，一種基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，沿著電磁波的入射方向，它包括相鄰的濾波型光子晶體I和分束型光子晶體2:
所述的濾波型光子晶體I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和反射波束，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；所述的濾波型光子晶體I包括濾波型基底9、濾波型背景材料4和濾波型柱狀材料3，濾波型基底蝕刻有規(guī)則排列的濾波型柱狀材料3，間隙由濾波型背景材料4填充；所述的濾波型背景材料4和濾波型柱狀材料3構(gòu)成濾波型陣列結(jié)構(gòu)7 ;所述的濾波型基底9和濾波型柱狀材料3使用同一材料制成；
所述的分束型光子晶體2，它的整體輪廓可為任意形狀，其中一邊緊貼著濾波型光子晶體的出射邊，內(nèi)部有缺陷所構(gòu)成的Y型導(dǎo)波光路，入射電磁波在透射過(guò)濾波型光子晶體后，從Y型缺陷的入射口耦合進(jìn)分束型光子晶體，并分成強(qiáng)度比為1:1的兩束單偏光輸出；所述的分束型光子晶體2包括分束型基底10、分束型背景材料6和分束型柱狀材料5，分束型基底上蝕刻有規(guī)則排列的分束型柱狀材料5，間隙由分束型背景材料6填充；所述的分束型背景材料6和分束型柱狀材料5構(gòu)成分束型陣列結(jié)構(gòu)8 ;所述的分束型基底10和分束型柱狀材料5使用同一材料制成；
所述的分束器具有偏振濾波和分束的作用。[0021]如圖2所示，所述的濾波型陣列結(jié)構(gòu)7是六角形，分束型陣列結(jié)構(gòu)8是正方形結(jié)構(gòu)。
[0022]所述的分束型背景材料6為氣體或液體或固體材料；所述的分束型柱狀材料5為固體材料。
[0023]所述的濾波型背景材料4為氣體或液體或固體材料；所述的濾波型柱狀材料3為固體材料。
[0024]所述的濾波型柱狀材料3和分束型柱狀材料5的截面形狀為任意形狀。
[0025]所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器應(yīng)用于偏振式光學(xué)傳感系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，其特征在于，沿著電磁波的入射方向，它包括相鄰的濾波型光子晶體(I)和分束型光子晶體(2): 所述的濾波型光子晶體(I)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和反射波束，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；所述的濾波型光子晶體(I)包括濾波型基底(9)、濾波型背景材料(4)和濾波型柱狀材料(3)，濾波型基底蝕刻有規(guī)則排列的濾波型柱狀材料(3)，間隙由濾波型背景材料(4)填充；所述的濾波型背景材料(4)和濾波型柱狀材料(3)構(gòu)成濾波型陣列結(jié)構(gòu)(7);所述的濾波型基底(9)和濾波型柱狀材料(3)使用同一材料制成； 所述的分束型光子晶體(2)，它的整體輪廓可為任意形狀，其中一邊緊貼著濾波型光子晶體的出射邊，內(nèi)部有缺陷所構(gòu)成的Y型導(dǎo)波光路，入射電磁波在透射過(guò)濾波型光子晶體后，從Y型缺陷的入射口耦合進(jìn)分束型光子晶體，并分成強(qiáng)度比為1:1的兩束單偏光輸出；所述的分束型光子晶體(2)包括分束型基底(10)、分束型背景材料(6)和分束型柱狀材料(5)，分束型基底上蝕刻有規(guī)則排列的分束型柱狀材料(5)，間隙由分束型背景材料(6)填充；所述的分束型背景材料(6)和分束型柱狀材料(5)構(gòu)成分束型陣列結(jié)構(gòu)(8);所述的分束型基底(10)和分束型柱狀材料(5)使用同一材料制成； 所述的分束器具有偏振濾波和分束的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，其特征在于，所述的濾波型陣列結(jié)構(gòu)(7)、分束型陣列結(jié)構(gòu)(8)是六角形或正方形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，其特征在于，所述的分束型背景材料(6)為氣體或液體或固體材料；所述的分束型柱狀材料(5)為固體材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，其特征在于，所述的濾波型背景材料(4)為氣體或液體或固體材料；所述的濾波型柱狀材料(3)為固體材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器，其特征在于，所述的濾波型柱狀材料(3)和分束型柱狀材料(5)的截面形狀為任意形狀。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于異構(gòu)二維光子晶體的Y型偏振濾波分束器應(yīng)用于偏振式光學(xué)傳感系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK103941414SQ201410062399
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年2月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月22日
【發(fā)明者】陳侃, 王晨歌, 黃騰超, 舒曉武, 劉承 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)