[发明专利]基于光子晶体自准直的偏振分束器及其分束方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种基于光子晶体自准直的偏振分束器及其分束方法，属于光通讯、光电子技术领域。

背景技术

光子晶体是一种人工制作的周期性结构，可以是在介质材料衬底如硅、二氧化硅、砷化镓等中制作二维周期性排列的空气孔阵列，也可以是其他介质材料构成的二维周期排列的介质柱。二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个孔或柱子的中心连线构成等腰直角三角形的正方晶格，或构成等边三角形的三角晶格。最短连线的长度为晶格常数。

光子晶体自准直效应，是指在光子晶体中光束可以在不引入传统光子晶体波导的情况下，克服光束的衍射发散效应而显示出几乎完全准直的传播特性。它源于光子晶体的独特的色散性质，即：等频图上在特定的频率区间和很大张角范围内存在着非常平坦的等频率面。由于光能量的传播总是垂直与等频率面，因而这一频率的电磁波在光子晶体里只能沿着一个特定的方向传播，具有很好的方向性，此时电磁波的频率即自准直频率。

光子晶体偏振分束器凭借其高集成度的特点，及其在未来光通讯中广泛的应用前景，成为国内外光电子研究领域的热点之一。人们利用各种方法，力图在提高偏振分束器的透过率、消光比、工作带宽以及集成度等关键技术上取得突破。现有公开的光子晶体偏振分束器有如下几种：

1、利用光子晶体正负折射的偏振分束器，对于入射电磁波的两个偏振态，一个在界面上经历正折射，而另一个偏振态经历负折射，两束透射光分别位于界面法线两侧，从而实现偏振分束。但该分束器的透过率较低。

2、不同偏振态对应不同的缺陷模，用不同的缺陷模将两个偏振态引向不同的路径。

3、利用光子晶体对某一个偏振态的全反射，设计的偏振分束器，从而一个偏振态发生全反射，而另一个偏振态发生透射，实现偏振分束，但该分束器的消光比较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于光子晶体自准直的偏振分束器及其分束方法，利用了光子晶体自准直效应，使得两种偏振态在光子晶体中沿不同方向传播，从而实现偏振分束。

为了解决上述技术问题，本发明采用了下述的技术手段：

一种基于光子晶体自准直的偏振分束方法，其特点是，首先选定一光子晶体，含有两个偏振态且频率为所述光子晶体的自准直频率的入射电磁波经该光子晶体后，将会发生自准直效应，两个偏振态将沿不同方向传播，实现偏振分束。

进一步地，所述入射电磁波通过入射波导引入，入射波导方向与电磁波入射方向一致。

所述出射电磁波通过出射波导引出，出射波导方向与电磁波出射方向一致。

所述的入射电磁波含有两个偏振态，一个偏振模因为发生自准直效应产生偏折，而另一个偏振模保持入射传播方向不变。

所述的入射电磁波含有两个偏振态，两个偏振模都发生自准直效应，但二者自准直传播方向不同。

所述的光子晶体在某个频率范围内，两个偏振态分别处在不同方向的导带上，而且互为禁带；

所述光子晶体的不同偏振态等频图的对称轴方向不同。

本发明还提供一种基于光子晶体自准直的偏振分束器，包括一光子晶体，其特征在于，还包括：

一与入射电磁波入射方向一致的入射波导；

一与入射电磁波出射方向一致的出射波导。

进一步地，所述的入射波导与光子晶体接触端设有缺陷。

所述的出射波导与光子晶体接触端设有缺陷。

本发明利用光子晶体自准直实现了偏振分束，具有高消光比、易于集成、工艺简单等优点。

附图说明

图1是介质材料中空气孔阵列构成的光子晶体自准直偏振分束器结构示意图；

图2是光子晶体能带结构示意图，实线和虚线表示不同偏振态的能带结构，OA、OB表示不同的波矢方向；

图3是光子晶体等频面示意图，实线和虚线表示不同偏振态的能带结构，OX、OY表示不同的波矢方向；

图4是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的能带结构，实线代表TE偏振，虚线代表TM偏振，点划线代表自准直频率；TE偏振态指：电场方向垂直与入射平面；TM偏振态指：磁场方向垂直于入射平面。

图5是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TE偏振电磁波等频图，粗实线表示自准直频率所在位置；

图6是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TM偏振电磁波等频图，粗实线表示自准直频率所在位置；

图7是硅衬底中正方晶格排列的空气孔阵列构成的光子晶体偏振分束器的TE偏振电磁场数值模拟图；