[发明专利]利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器

说明书

技术领域

本发明涉及光波的单向隔离，具体涉及了利用光子晶体方向带隙实现光波的正向通过和反向隔离。

背景技术

光隔离器是光纤通信系统和精密光学测量系统中常用到的一种光学器件。在光路中它的主要作用是阻止光被其他物体反射回来沿原路的传播。在光纤通信中,当光纤与激光器耦合时,其端面或接头处的反射将影响激光器的稳定性。这在高速光纤通信系统,相干光纤通信系统,频分复用光纤通信系统,光纤有线电视系统以及精密光学测量系统等的应用中是一个重要问题。为了消除反射波对激光器的影响,需要在激光器与光纤之间加光隔离器；在光纤放大器中,光隔离器主要用来防止反射光引起信号光源或泵浦光源的波动,并保证信号在放大器内单向传输。一般来说一个光纤放大器中应至少采用两个光隔离器,有些光纤放大器在掺铒光纤前后各使用两个光隔离器以提高放大器的性能。另外,利用光隔离器还可以提高泵浦光的泵浦效率,同时防止输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰；在光谱分析实验中,如果发光材料发出的光又被外界物质反射到发光材料上,那么我们所测量到的结果就不能如实地反映发光材料在我们所设定的外界条件下本应该具有的某些性质,为了消除这些外界的干扰,我们常在发光材料和测量仪器之间加一光隔离器。

光子晶体是E. Yablonovitch与S. John于1987年在研究如何控制材料的自发辐射性质时分别提出的新概念和新材料。光子晶体之所以被称为“晶体”是因为，光子晶体是一种折射率周期性排布的介质结构，就像在固体中原子的排列一样，具有周期性。所谓光子晶体就是两种或两种以上介质在空间上的周期性排列组成的一种人工晶体而且其中的结构呈周期性规则排列，因而存在光子能带和光子能隙。正是因为光子晶体的结构与真正晶体具有相似性，所以光子晶体的光学特性有些类似于半导体的电学性质。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制波长和其晶格常数可比拟的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。一定频率范围内的电磁波，如果正好位于光子带隙内，在光子晶体的特定方向上就会被强烈反射，不能通过，而其它频率的电磁波能够通过光子晶体。光子带隙是光子晶体最重要的特性，也是光子晶体受到科学家们青睐的重要原因。

而随着光通信技术的进一步发展和光子晶体研究热潮的兴起,光隔离器的用途越来越广泛。与此同时,人们对光隔离器的各项特性指标也提出了更高的要求。然而现今光隔离器，普遍采用法拉第旋转效应、磁光效应、电光效应或材料的非线性效应，材料成本均较高，且不易集成，受外界磁场、电场影响较明显，因而一种不依赖外界磁场且成本较低、易于集成的光隔离器结构就显得非常必要。

发明内容

本发明提出了一种新型的结构来实现光波的正向通过与反向隔离。

本发明所采取的技术措施是：一种利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器，包括设置于220nm厚度的硅板上由光子晶体排布而成的第一光子晶体区和第二光子晶体区，第一光子晶体区与第二光子晶体区形状形成一个整体的长方形光子晶体矩阵；设置于第一光子晶体区左侧的第一入出射硅波导，设置于第二光子晶体区右侧的第二入出射硅波导，所述光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，第一光子晶体区的空气孔半径为r₁，第二光子晶体区的空气孔半径为r₂，满足0＜2r₁＜2r₂＜a＜500nm；第一光子晶体区与第二光子晶体区分界线与第一入出射硅波导的水平中心线的夹角为45度；第一光子晶体区与第二光子晶体区的未连接波导的上下两面3均作吸光处理，使得杂散光与二次全反射光在到达未连接波导的上下两面3时被吸收，不会对结构性质造成额外的影响。

例如当r₁=0.30a、r₂=0.45a时，向第一入出射硅波导A输入能量为100%，从第二入出射硅波导B输出为5.1%；而向从第二入出射硅波导B输入能量同样为100%时，第一入出射硅波导A仅测出0.7%左右的信号能量，信号对比度0.759。

本方案的具体特点还有，第一光子晶体区与第二光子晶体区的未连接波导的上下两面通过聚焦离子束沉积钨线或铂线以形成光吸收面，这两种金属对光有强吸收作用，使得杂散光与二次全反射光在到达各侧面时被吸收，不会对结构性质造成额外的影响。