专利名称：一种单模光子晶体偏振分束器的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体光电子器件，特别涉及一种用于光子集成芯片的输出单一偏 振并且单一横模光信号的紧凑型单模光子晶体偏振分束器。
背景技术：
偏振分束器是光子集成芯片中一种重要的功能器件，它对于陀螺仪等其它需要 偏振控制的器件也是不可或缺的。传统的偏振分束器通常利用马赫曾德尔干涉仪来 实现，如文献l:"在InGaAsP/InP材料上基于马赫曾德尔干涉仪的偏振分束器，L. B. Soldano， A. H. de Vreede等，IEEE光子技术快报，第6巻，402 - 405页，(1994)" 中公开的技术；或者利用非对称Y型分岔器实现，如文献2:"在铌酸锂材料上使用 钛、镍和氧化镁扩散得到的横电、横磁模式分束器，P. WeiandW. Wang, IEEE光 子技术快报，第6巻，245-248页，(1994)"中公开的技术；或利用多模干涉仪来实 现，如文献3:"—种尺寸显著减小的应用于偏振分束的多模干涉耦合器的设计和制 造，J. M. Hong等，IEEE光子技术快报，第15巻，72 - 74页，(2003)"公开的技术。 上述传统型偏振分束器一般要求器件长度达到毫米量级，这就大大限制了光子芯片 的集成度。采用光子晶体是提高光子芯片集成度的一个很有潜力的发展方向。光子晶体是 国际上近年来研究的新的热点方向，它是一种介电常数周期性分布的天然或人工材 料。根据介电常数在空间周期分布的维度不同，光子晶体可分为一维、二维和三维 光子晶体。二维光子晶体由于相对容易制作，并且足以表现光子晶体的大多数特性， 受到人们的广泛关注。常见的这一类结构例如在高介电常数的薄板材料上制作出周 期排列的空气孔，或在孔内填充低介电常数的材料，如氧化硅，得到孔型二维光子 晶体薄板。满足薄板导波条件的光波在水平方向受二维光子晶体结构调制。光子晶 体的一个重要特性是存在光子禁带。频率落在光子禁带中的光不能在光子晶体中传 播。但是如果在光子晶体中引入缺陷，就会在光子禁带中引入缺陷模式，从而可以 对光子进行控制。例如引入点缺陷，可以实现谐振微腔，而引入线缺陷，就可以实
现光子晶体波导。基于一种二维光子晶体与传统波导的混合结构的偏振分束器已经被提出，如文 献4:"一种利用光子晶体和传统波导混合结构的紧凑型高效率偏振分束器，S.Kim 等，光学快报,第28巻,第2384-2386页，(2003)"介绍的技术。在这种结构中，光 在传统波导中传播，而光子晶体的四方晶格介质柱作为光栅来透射或反射两种不同 的偏振光。尽管该分束器结构本身已经尺寸较小，但是由于采用传统波导不易于光 子芯片集成。最近提出的一种全部基于光子晶体定向耦合器的偏振分束器具有尺寸 小并且与其他光子晶体器件易于集成的优点，因此在光子集成中更加具有吸引力， 如文献9:"一种基于光子晶体的紧凑型偏振分束器，TaoLiu等，IEEE光子技术快 报,第17巻,1435-1437页，(2005)"中公开的技术。但是，单模传输条件作为波导 中一项重要的性能指标，在文献9中并没有被考虑到，并且现有技术中的的有关偏 振分束器都不能单模传输。发明内容本发明要解决的技术问题是克服已有偏振分束器尺寸长或有些偏振分束器虽然 尺寸短但不能满足单模传输条件的缺点，提供一种对分束后的不同偏振的信号光均 实现单模输出的紧凑型单模光子晶体偏振分束器。为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下一种单模光子晶体偏振分束器，包括一二维光子晶体，在该光子晶体上的平行 相邻的第一线缺陷光子晶体波导和第二线缺陷光子晶体波导形成的定向耦合器结 构。在上述技术方案中，所述第一线缺陷光子晶体波导的长度大于所述第二线缺陷 光子晶体波导。在上述技术方案中，所述第一线缺陷光子晶体波导的一端有一输入端口，另一 端有一第一输出端口，所述第二线缺陷光子晶体波导在靠近所述第一输出端口的一 端有第二输出端口；同频率不同偏振态的信号光源通过脊波导耦合到分束器的输入端口A,横电(TE)偏振态的光信号通过第一输出端口 B输出，而横磁(TM)偏振态的 光信号通过相邻的第二输出端口 C输出，实现不同偏振态的光信号的分离。 在上述技术方案中，所述光子晶体的晶格排列为三角晶格排列。 在上述技术方案中，所述第一线缺陷光子晶体波导和所述第二线缺陷光子晶体波导具有按第一周期的三角晶格排列的圆形孔；所述第一线缺陷光子晶体波导和所 述第二线缺陷光子晶体波导之间的孔为椭圆形，该椭圆形孔的半长轴所在方向是沿 着所述波导的方向。在上述技术方案中，所述椭圆形孔的面积小于光子晶体圆形孔的面积。 在上述设计方案中，所述光子晶体是在半导体芯片上形成，所述半导体芯片的材料为InP/InGaAsP材料、GaAs/AlGaAs材料或GaN/AlGaN材料。 与现有技术相比，本发明的优越性在于-1) 易于与光子晶体器件集成本发明中器件结构是以光子晶体定向耦合器为基 础的，易于与光子晶体激光器、波导、滤波器等器件集成；2) 尺寸极短本发明能够使得两种不同偏振光在25. 2微米距离之内发生分离。3) 单模输出本发明通过对光子晶体定向耦合器结构的形状、大小进行优化设 计，使分束后不同偏振的光信号都具有单一横模传输特性，消除了模式色散。
图1表示实施例1紧凑型单模光子晶体偏振分束器的结构示意图；图2表示本发明中对于该分束器设计结构的横电偏振模式的光子能带；其中纵 轴是规一化频率aA-coa/27tc， a是晶格常数，即相邻两小孔中心的距离，X是介质 中光波的波长，o是介质中光波的角频率，c是真空中的光速；横轴是规一化的沿波导方向的波矢kz3/2TI。图3表示横电偏振模式的光信号通过端口 B输出的透射谱；图4表示横磁偏振模式的光信号通过端口 C输出的透射谱；图5(a)表示在工作频率点的横电偏振模式的光信号的传播和输出； 图5(b)表示在工作频率点的横磁偏振模式的光信号的传播和输出
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述-本发明中，对于横磁偏振模式，由于在三角晶格中其导波机制是折射率导引， 类似传统的光波导，因此其导波模式为单一基横模；而对于横电偏振模式，其导波 机制是带隙导引，通过改变并优化了定向耦合器中两相邻波导之间的空气孔的大小 和形状，改变了横电模式的光子能带，使得其工作频率点即解耦合频率点；实现缩 短尺寸和单模输出的功能。实施例1参照附图l，数字l表示本发明的一个偏振分束器结构，它包括两个沿r K方向相邻的W1线缺陷波导。介质板选取介电常数为^的半导体材料，具体参数在后 面介绍。数字2表示周期排列的圆形孔，半径为r-0.36a， a为三角晶格的周期， 圆形孔的介电常数为e2，并且e2<e，。通常￡2可取为1，即空气孔。三角晶格的 周期为a，它表示相邻圆形孔中心的距离。耦合器的长度设计为晶格周期的n倍(n 为大于1的整数)，等于横磁模在耦合波导中传播的半拍长。数字3表示两耦合波导 之间的设计为椭圆形的空气孔，椭圆的半长轴和半短轴分别为0.39a和0.21a,这 种特定的椭圆形状是为了使横电偏振光在解耦合频率点满足单模传播条件。而椭圆 孔的面积略小于光子晶体圆孔的面积,这样设计是为了增强TM模在两波导之间的耦合，縮减拍长，从而縮减器件尺寸。当相同工作频率的横电和横磁偏振光从端口 A 入射，处在解耦合频率点的TE模无法耦合到下波导，只能沿上波导传播，从端口B 直接输出，而TM模传播过半个"拍"的长度耦合入下波导，从端口C输出。从而实 现偏振分离。由于本发明光子晶体偏振分束器的特殊的设计结构，使得输出的横电 偏振态和横磁偏振态的光信号都只有单一横模。 选取各个参数如下介质板材料为Ga(Al)As，介电常数^ = 3.32，光子晶体孔选为空气孔，e2=l; 晶格周期a二0.449ym;耦合器的长度L为晶格周期的56倍，L=25.2iim。根据以上参数，利用平面波展开方法计算得到横电偏振模的光子能带，见图2。 图中纵轴aA二(oa/27ic是规一化频率(无量纲)，a是晶格常数，即相邻两小孔中心 的距离，^是介质中光波的波长，co是介质中光波的角频率，c是真空中的光速；横 轴kz3/2TI表示规一化的沿波导方向的波矢(无量纲)。图中虚线表示横电偏振模的 解耦合点，即单模工作点。需要说明的是，对于横磁偏振模，由于在三角晶格中其 导波机制是折射率导引，类似传统的光波导，其导波模式为单一基横模。因此无需 利用能带图进行说明。横电偏振模的透射谱见图3，其中实线表示端口 B的透射谱，点划线表示端口 C 的透射谱。横磁偏振模的透射谱见图4,其中实线表示端口B的透射谱，点划线表 示端口C的透射谱。由图可见，对应常用通信波长1.55um处，横电偏振光信号几 乎完全从端口B输出，而端口C输出几乎为零，而横磁偏振光信号有约85%从端口 C输出，端口B输出几乎为零。偏振分束效果明显。需要说明的是，横磁偏振光信 号有25%的传播损耗，原因是它的导波机制仅仅是折射率导引。但是这并不影响偏 振分束的功能实现。为了更加形象的说明偏振分束的效果，利用时域有限差分方法模拟了工作波长 为1.55um的光信号在分束器中的光场分布，如图5所示。其中图5(a)表示横电偏 振光信号从端口 B输出，而图5(b)表示横磁偏振光信号从端口 C输出。实施例2:本实施例中，以工作点在另一常用的通信波长1.3nm为例，只需将晶格周期a 设计为0. 377 u m，而其它参数同实施例1保持不变即可，其结果与实施例1类似， 可参见实施例1的结果。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管 参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明 的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均 应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种单模光子晶体偏振分束器，包括一二维光子晶体，其特征在于，在所述光子晶体上的平行相邻的第一线缺陷光子晶体波导和第二线缺陷光子晶体波导形成的定向耦合器结构。
2、 根据权利要求1所述单模光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述第一线缺 陷光子晶体波导的长度大于所述第二线缺陷光子晶体波导。
3、 根据权利要求1所述单模光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述第一线缺 陷光子晶体波导的一端有输入端口，另一端有第一输出端口，所述第二线缺陷光子 晶体波导在靠近所述第一输出端口的一端有第二输出端口 。
4、 根据权利要求1所述单模光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述光子晶体 的晶格排列为三角晶格排列。
5、 根据权利要求1所述单模光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述第一线缺 陷光子晶体波导和所述第二线缺陷光子晶体波导具有按第一周期的三角晶格排列的 圆形孔，所述第一线缺陷光子晶体波导和所述第二线缺陷光子晶体波导之间的孔为 椭圆形，该椭圆形孔的半长轴所在方向是沿着所述波导的方向。
6、 根据权利要求5所述单模光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述椭圆形孔 的面积小于光子晶体圆形孔的面积。
7、 根据权利要求1所述单模光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述光子晶体 是在半导体芯片上形成，所述半导体芯片的材料为InP/InGaAsP材料、GaAs/AlGaAs 材料或GaN/AlGaN材料。
全文摘要
本发明公开了一种单模光子晶体偏振分束器，包括一二维光子晶体，在所述光子晶体上的平行相邻的第一线缺陷光子晶体波导和第二线缺陷光子晶体波导形成的定向耦合器结构，所述第一线缺陷光子晶体波导的长度大于所述第二线缺陷光子晶体波导，所述第一线缺陷光子晶体波导和所述第二线缺陷光子晶体波导具有按第一周期的三角晶格排列的圆形孔，所述第一线缺陷光子晶体波导和所述第二线缺陷光子晶体波导之间的孔为椭圆形，该椭圆形孔的半长轴所在方向是沿着所述波导的方向。本发明易于与光子晶体器件集成、尺寸短、单模输出。
文档编号G02B6/122GK101162279SQ200610113750
公开日2008年4月16日 申请日期2006年10月13日 优先权日2006年10月13日
发明者刚 任, 杜晓宇, 科 王, 邢名欣, 郑婉华, 陈良惠 申请人:中国科学院半导体研究所