[发明专利]基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器

说明书

技术领域

本发明属于电磁波偏振分束器领域,尤其是涉及一种基于光子晶体偏振分束器。 

背景技术

目前，大部分偏振分束器体积大，难以用于光路集成中。而以光子晶体为技术背景可以制作一些微小的器件,包括偏振分束器。目前大致分为两种类型：一种是利用一块具有S偏振波禁带和P偏振波导带或P偏振波禁带和S偏振波导带的光子晶体来实现波的偏振分离。这种偏振分束器，由于其透过率和偏振度较差，并且难以集成到其它光子晶体器件中，只能作为单一光子晶体器件使用在传统光学波导中。另一种是通过长程耦合波导，利用波导之间周期性耦合和奇偶态变化的方法，设计不同的相对耦合长度把不同偏振态的光波耦合到不同的波导。通过这两种方法所得到的偏振分束器，但是体积仍然较大，而且工作波长范围很窄，不利于实际应用。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、偏振度高、光传输效率高，适合大规模光路集成的光子晶体偏振分束器。 

为了解决上述存在的问题，本发明采用下述技术方案。 

本发明的基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器包括一个位于上部的二维光子晶体薄板和一个与所述的上部二维光子晶体薄板垂直的位于底部的二维 光子晶体薄板以及一个输入耦合介质块；在所述的上部二维光子晶体薄板中有P偏振波输出波导；在所述的底部二维光子晶体薄板中有S偏振波输出波导；所述的P偏振波输出波导的输出端口和S偏振波输出波导的输出端口均在三维空间上分开；所述的光子晶体薄板包括背景介质和介质柱。 

所述的位于上部的P偏振波输出波导为光子晶体平板波导，它由所述的光子晶体薄板的下半部和右半部中间分别去除半排介质柱而形成，呈直角角尺形状，所述的光子晶体平板波导的横截面为矩形。 

所述的输入耦合介质块为立方体，该输入耦合介质块位于P偏振波输出波导和S波输出波导交界处的中部。 

所述的底部S波输出波导为光子晶体平板波导，它由所述的光子晶体薄板的前半部和右半部中间分别去除半排介质柱而形成，呈直角角尺形状，所述的光子晶体平板波导的横截面为矩形。 

所述的背景介质为空气或其它折射率低于介质柱的介质。 

所述的输入耦合介质块与输入波导相接，该输入波导的内侧表面与所述的输入耦合介质块的外侧表面相接。 

所述的光子晶体薄板中的介质柱的形状为立方柱体、或长方柱体、或圆柱体，或椭圆柱体、或三角柱体、或其它多边形柱体。 

所述的光子晶体的结构为四方晶格、或三角晶格、或六角晶格。 

所述的输入耦合介质块输入混合模式电磁波，底部光子晶体薄板上的S偏振波输出波导输出S偏振波，上部光子晶体薄板上的P偏振波输出波导输出P偏振波。 

所述的输入耦合介质块与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导 相连接；所述的输出端口与具有完全禁带的光子晶体波导或传统全偏振波导或光子晶体单偏振波导或传统单偏振波导相连接。 

光子晶体对电磁波的作用可以用等效折射率描述。光子晶体的等效折射率依赖于晶格常数，占空比，电介质的折射率以及背景介质的折射率。选择合适的参数配比，可以使得不同偏振方向上的等效折射率差别很大，因此电磁波在光子晶体中传播较短距离可以获得偏振分束效果。利用不同偏振的等效折射率之差，设计合适的介质柱阵列，可以设计出二维的偏振分束器。其在二维维度上能较好地将电磁波中的S偏振波和P偏振波分量分开，但是分开角度较小，在二维维度上只能有10度左右分离角。而本发明提供的一种基于二维光子晶体薄板的三维偏振分束器可在三维维度上将S偏振波、P偏振波分开，偏振度高，工作波段大。 

本发明与现有技术相比具有以下的优点： 

（1）本发明不需要应用基于类似布儒斯特角分偏振的方法，也不需要通过长波导耦合的方式分光，大多数的光子晶体偏振分束器都是在波导中加入若干个介质柱，以改变对S偏振波和P偏振波的透射和反射，而本发明的波导中无需加入任何的介质柱就能达到分光的效果。 

（2）本发明的特殊的几何构造形态能够很好地对S偏振波和P偏振波进行自行耦合。 

（3）结构体积小，偏振度高，光传输效率高，适合大规模光路集成； 

（4）本发明在短程通过两个点缺陷就可以完全实现偏振分离功能，便于集成而且高效； 

（5）本发明应用光子晶体可等比例缩放的特性，通过等比例改变晶格常数 的方法，可以实现不同波长偏振分束的功能。 

附图说明

图1是本发明的结构背面示意图；