基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，旨在提供一種結(jié)構(gòu)體積小、偏振度高、便于集成而且高效，同時(shí)在十字交叉處不產(chǎn)生串?dāng)_的偏振光橋。它包括一個(gè)具有完全禁帶的光子晶體波導(dǎo)，光子晶體波導(dǎo)呈十字形狀，光子晶體十字波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱，該波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱為方形缺陷介質(zhì)柱和圓形缺陷介質(zhì)柱；光子晶體十字波導(dǎo)由垂直TE波導(dǎo)、水平TM波導(dǎo)、TM光信號(hào)輸入端及TM輸出端、TE光信號(hào)輸入端及TE輸出端構(gòu)成；光子晶體波導(dǎo)的兩個(gè)輸入端分別輸入TM光信號(hào)的TM波和TE光信號(hào)的TE波，TM波和TE波在共用中心區(qū)域形成光路的十字交叉位置不互擾，輸入的TM光信號(hào)從TM輸出端口輸出,而輸入的TE光信號(hào)從TE輸出端口輸出。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微小光學(xué)偏振光橋領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光子晶體技術(shù)的微小光學(xué)偏振光橋。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的光橋及偏振光橋應(yīng)用的是幾何光學(xué)原理，因此體積都比較大，無(wú)法用于光路集成中。以光子晶體為基礎(chǔ)可以制作微小的器件，包括偏振光橋。架設(shè)偏振光橋的光子晶體導(dǎo)波光路一般通過(guò)對(duì)具有完全禁帶的光子晶體引入線缺陷來(lái)構(gòu)建。在偏振光控制與分離技術(shù)角度，一般通過(guò)兩種方法實(shí)現(xiàn):一種是利用一塊具有TE禁帶和TM導(dǎo)帶或TM禁帶和TE導(dǎo)帶的光子晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)波的偏振分離。另一種是通過(guò)長(zhǎng)程耦合波導(dǎo)，利用波導(dǎo)之間周期性耦合和奇偶態(tài)變化的方法把不同偏振態(tài)的光波耦合到不同的波導(dǎo)。通過(guò)這兩種方法僅可以設(shè)計(jì)出常規(guī)的偏振器件，并不能應(yīng)用其特性來(lái)設(shè)計(jì)偏振光橋，即一種可以在波導(dǎo)結(jié)點(diǎn)位置允許不同偏振態(tài)的光信號(hào)交叉導(dǎo)通而不相互影響的器件。另外，上述的光子晶體波導(dǎo)雖然其體積比傳統(tǒng)的偏振器件小了很多，但是功能單一而且還是顯得比較大。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種結(jié)構(gòu)體積小、偏振度高、便于集成且高效的光子晶體十字紅外偏振光橋。
[0004]為了解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0005]本發(fā)明的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，包括一個(gè)具有完全禁帶的光子晶體波導(dǎo)，所述光子晶體波導(dǎo)呈十字形狀，所述光子晶體十字波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱，該波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱為方形缺陷介質(zhì)柱和圓形缺陷介質(zhì)柱；所述光子晶體十字波導(dǎo)由垂直TE波導(dǎo)、水平TM波導(dǎo)、TM光信號(hào)輸入端及TM輸出端、TE光信號(hào)輸入端及TE輸出端構(gòu)成；所述光子晶體波導(dǎo)的兩個(gè)輸入端分別輸入TM光信號(hào)的TM波和TE光信號(hào)的TE波，TM波和TE波在共用中心區(qū)域形成光路的十字交叉位置不互擾，輸入的TM光信號(hào)從TM輸出端口輸出，而輸入的TE光信號(hào)從TE輸出端口輸出。
[0006]所述垂直TE波導(dǎo)中的缺陷介質(zhì)柱為四個(gè)方形介質(zhì)柱，水平TM波導(dǎo)中的缺陷介質(zhì)柱為三個(gè)圓形介質(zhì)柱；所述垂直TE波導(dǎo)的四個(gè)方形介質(zhì)柱和水平TM波導(dǎo)的三個(gè)圓形介質(zhì)柱的中心位置與其對(duì)應(yīng)的為形成波導(dǎo)所刪除的背景介質(zhì)柱的中心位置相同。
[0007]所述光子晶體波導(dǎo)的左右端口、上下端口分別為T(mén)M光信號(hào)輸入端及TM輸出端、TE光信號(hào)輸入端及TE輸出端。
[0008]所述光子晶體波導(dǎo)為二維光子晶體波導(dǎo)，包括碲介質(zhì)二維光子晶體波導(dǎo)，蜂窩結(jié)構(gòu)二維光子晶體波導(dǎo)，孔狀三角晶格二維光子晶體波導(dǎo)，各種非規(guī)則形狀二維光子晶體波導(dǎo)。
[0009]所述光子晶體波導(dǎo)為在所述的光子晶體中移除I排或2排或3排或4排介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)。[0010]所述光子晶體波導(dǎo)平面垂直于所述的光子晶體中的介質(zhì)柱的軸線。
[0011]所述波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱中的e光折射率大于O光折射率，且波導(dǎo)方形缺陷介質(zhì)柱的光軸平行于光子晶體波導(dǎo)平面并與波的傳播方向正交。
[0012]所述波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱數(shù)量為I根或2根或3根或4根或5根或6根。
[0013]所述TM波導(dǎo)的圓形缺陷介質(zhì)柱的光軸與背景介質(zhì)柱的光軸方向一致。
[0014]所述背景介質(zhì)為介質(zhì)柱陣列形成的碲介質(zhì)波導(dǎo)，該碲介質(zhì)波導(dǎo)為刪除兩行或兩列介質(zhì)柱而形成導(dǎo)波波導(dǎo)。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn):
[0016]1.結(jié)構(gòu)體積小,光傳輸效率高,適合大規(guī)模光路集成；
[0017]2.本發(fā)明可以短程高效地定向?qū)═E、TM的光波信號(hào)，在十字光橋交叉位置不產(chǎn)生串?dāng)_。
[0018]3.在短程通過(guò)四個(gè)點(diǎn)缺陷就可以實(shí)現(xiàn)偏振光波定向?qū)ǖ墓δ?，便于集成而且高效?br>
[0019]4.本器件與其它耦合腔模式偏振分光器件相比，具有很高消光比、偏振度高以及極低的插入損耗，較寬的工作波長(zhǎng)范圍，可以允許有一定頻譜寬度的脈沖，或高斯光，或不同波長(zhǎng)的光工作，或多個(gè)波長(zhǎng)的光同時(shí)工作。
[0020]5.依據(jù)其偏振選擇的特性可以在既有光橋架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)5種不同的應(yīng)用功能。
[0021]6.本發(fā)明原理在不考慮色散或色散可以忽略的情況下，可以應(yīng)用光子晶體可等比例縮放的特性，通過(guò)等比例改變晶格常數(shù)的方法，可以實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)偏振分束的功能。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明使用的Tellurium光子晶體及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:TM光信號(hào)輸入端I (左方端口 I) TE光信號(hào)輸入端2 (左方端口 2) TM光信號(hào)輸出端3 (右方端口 3) TE光信號(hào)輸出端4 (上方端口 4)背景締介質(zhì)柱5方形缺陷介質(zhì)柱6圓形缺陷介質(zhì)柱7
[0024]圖2是本發(fā)明光子晶體十字紅外偏振光橋的結(jié)構(gòu)示意圖及參數(shù)分布圖。
[0025]圖中:晶格常數(shù)L1=a波導(dǎo)間介質(zhì)柱圓心間距L2=3a方形點(diǎn)缺陷邊長(zhǎng)L3=0.538a圓形點(diǎn)缺陷與背景介質(zhì)柱5的距離L4=L 5a方形點(diǎn)缺陷之間距離與背景介質(zhì)柱5的距離L5=a圓形點(diǎn)缺陷之間距離L6=a背景碲介質(zhì)柱5的半徑R1=0.3431a圓形點(diǎn)缺陷半徑R2=0.165a
[0026]圖3是本發(fā)明偏振光橋各通道在禁帶頻率范圍內(nèi)的消光比(ExtinctionRatio, EXR)。
[0027]圖4是本發(fā)明偏振光橋各通道在禁帶頻率范圍內(nèi)的偏振度(Degree ofPolarization, D0P)o
[0028]圖5是本發(fā)明偏振光橋各通道在禁帶頻率范圍內(nèi)的插入損耗(Insertion Loss)。
[0029]圖6是本發(fā)明偏振光橋?qū)崿F(xiàn)功能(I)、(3)、(4)時(shí)的光場(chǎng)分布示意圖。
[0030]圖7為圖1光橋中光場(chǎng)分量的分布圖。
[0031]圖7 (a):TE分量的分布圖。
[0032]圖7 (b):TM分量的分布圖。【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述:
[0034]如圖1中所示，本發(fā)明的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，包括一個(gè)具有完全禁帶的光子晶體波導(dǎo)，所述光子晶體波導(dǎo)呈十字形狀，所述光子晶體十字波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱，該波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱為方形缺陷介質(zhì)柱和圓形缺陷介質(zhì)柱；所述光子晶體十字波導(dǎo)由垂直TE波導(dǎo)、水平TM波導(dǎo)、TM光信號(hào)輸入端及TM輸出端、TE光信號(hào)輸入端及TE輸出端構(gòu)成。本器件初始信號(hào)光從左方端口 I和下方端口 2入射，上方端口 4輸出TE光波,右方端口 3輸出TM光波。背景締介質(zhì)柱5,光軸方向垂直紙面向外,其半徑為R=0.3431a。方形缺陷介質(zhì)柱6，光軸方向與紙面平行并且平行于正方體下端面，其邊長(zhǎng)為L(zhǎng)=0.538a，其位置中心與對(duì)應(yīng)的為形成波導(dǎo)所刪除背景介質(zhì)柱5的各個(gè)圓心相同。圓形缺陷介質(zhì)柱7，光軸方向與背景介質(zhì)柱相同，其半徑為R=0.165a,其位置中心與對(duì)應(yīng)的為形成波導(dǎo)所刪除背景介質(zhì)柱5的各個(gè)圓心相同。
[0035]本發(fā)明的原理介紹主要針對(duì)碲介質(zhì)加以解釋。碲是一種正單軸晶體，在很多科學(xué)研究中，近似地認(rèn)為在紅外波段3.5至35微米之間碲介質(zhì)是無(wú)色散的，即11。=4.8, ne=6.2。然而，鑒于更準(zhǔn)確的把握碲光子晶體的本質(zhì)特性，以及更好的為實(shí)踐應(yīng)用作指導(dǎo)，本發(fā)明中的所有研究結(jié)果都是以碲光子晶體Sellmeier色散曲線為基礎(chǔ)而研究的。碲介質(zhì)的Sellmeier色散方程為:
[0036]ne = [9.5222+9.3068 λ 2 ( λ 2-2.5766) _1+9.2350 λ 2 ( λ 2-13521) ^1]1/2 (I)
[0037]η。= [18.5346+4.3289 λ 2 ( λ 2-3.9810) _1+3.7800 λ 2 ( λ 2-11813) ^1]1/2 (2)
[0038]當(dāng)e光軸與介質(zhì)柱軸同向時(shí)，通過(guò)平面波展開(kāi)可以得到其光子禁帶。當(dāng)光子晶體為正方晶格，晶格常數(shù)為a，半徑為0.3431a時(shí)，其光子禁帶為3.893至4.223 (ω a/2 π c)，其中間的任何頻率的光波將被限制在波導(dǎo)中。
[0039]本發(fā)明通過(guò)在上述波導(dǎo)中引入點(diǎn)缺陷，使點(diǎn)缺陷針對(duì)不同偏振態(tài)的光波的等效折射率不同，繼而確定符合單偏振態(tài)全反射，同時(shí)另一偏振態(tài)全透射的點(diǎn)缺陷參數(shù)。將這些不同規(guī)格的點(diǎn)缺陷應(yīng)用到不同偏振態(tài)波導(dǎo)的端面附近，就可以實(shí)現(xiàn)不同偏振態(tài)的光波在各自允許傳播的波導(dǎo)中傳播，而且在波導(dǎo)交叉位置不會(huì)產(chǎn)生干擾。
[0040]如圖1與圖2所示，本發(fā)明所使用碲介質(zhì)波導(dǎo)需要?jiǎng)h除兩行或兩列介質(zhì)柱而形成導(dǎo)波波導(dǎo)，其L1 = a, L2 = 3a，背景介質(zhì)柱5的半徑R1=0.3431a。本說(shuō)明中使用笛卡爾直角坐標(biāo)系:x軸正方向?yàn)樗较蛴遥?軸正方向?yàn)樵诩埫鎯?nèi)豎直向上軸正方向?yàn)榇怪庇诩埫嫦蛲狻?br>
[0041]點(diǎn)缺陷的等效折射率為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，包括一個(gè)具有完全禁帶的光子晶體波導(dǎo)，其特征在于:所述光子晶體波導(dǎo)呈十字形狀，所述光子晶體十字波導(dǎo)內(nèi)設(shè)置有波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱，該波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱為方形缺陷介質(zhì)柱和圓形缺陷介質(zhì)柱；所述光子晶體十字波導(dǎo)由垂直TE波導(dǎo)、水平TM波導(dǎo)、TM光信號(hào)輸入端及TM輸出端、TE光信號(hào)輸入端及TE輸出端構(gòu)成；所述光子晶體波導(dǎo)的兩個(gè)輸入端分別輸入TM光信號(hào)的TM波和TE光信號(hào)的TE波,TM波和TE波在共用中心區(qū)域形成光路的十字交叉位置不互擾，輸入的TM光信號(hào)從TM輸出端口輸出，而輸入的TE光信號(hào)從TE輸出端口輸出。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述垂直TE波導(dǎo)中的缺陷介質(zhì)柱為四個(gè)方形介質(zhì)柱，水平TM波導(dǎo)中的缺陷介質(zhì)柱為三個(gè)圓形介質(zhì)柱；所述垂直TE波導(dǎo)的四個(gè)方形介質(zhì)柱和水平TM波導(dǎo)的三個(gè)圓形介質(zhì)柱的中心位置與其對(duì)應(yīng)的為形成波導(dǎo)所刪除的背景介質(zhì)柱的中心位置相同。
3.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述光子晶體波導(dǎo)的左右端口、上下端口分別為T(mén)M光信號(hào)輸入端及TM輸出端、TE光信號(hào)輸入端及TE輸出端。
4.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述光子晶體波導(dǎo)為二維光子晶體波導(dǎo)，包括碲介質(zhì)二維光子晶體波導(dǎo)，蜂窩結(jié)構(gòu)二維光子晶體波導(dǎo)，孔狀三角晶格二維光子晶體波導(dǎo)，各種非規(guī)則形狀二維光子晶體波導(dǎo)。
5.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述光子晶體波導(dǎo)為在所述的光子晶體中移除I排或2排或3排或4排介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)。
6.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述光子晶體波導(dǎo)平面垂直于所述的光子晶體中的介質(zhì)柱的軸線。
7.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱中的e光折射率大于ο光折射率,且波導(dǎo)方形缺陷介質(zhì)柱的光軸平行于光子晶體波導(dǎo)平面并與波的傳播方向正交。
8.按照權(quán)利要求1或7所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述波導(dǎo)缺陷介質(zhì)柱數(shù)量為I根或2根或3根或4根或5根或6根。
9.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述TM波導(dǎo)的圓形缺陷介質(zhì)柱的光軸與背景介質(zhì)柱的光軸方向一致。
10.按照權(quán)利要求1所述的基于光子晶體波導(dǎo)的十字紅外偏振光橋，其特征在于:所述背景介質(zhì)為介質(zhì)柱陣列形成的碲介質(zhì)波導(dǎo)，該碲介質(zhì)波導(dǎo)為刪除兩行或兩列介質(zhì)柱而形成導(dǎo)波波導(dǎo)。
【文檔編號(hào)】G02B6/126GK103901537SQ201410108216
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】歐陽(yáng)征標(biāo), 金鑫, 余銓強(qiáng), 文國(guó)華 申請(qǐng)人:深圳大學(xué)