基于液晶调制的自准直光子晶体光开关的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学技术领域，涉及基于液晶调制的自准直光子晶体光开关。
【背景技术】
[0002]光子晶体是一种由周期排列介质构成的新型人工结构。卫星是空间光通信中必不可少的信息平台，但是火箭和卫星的有效载荷是很小的。要有效地降低发射成本，提高单位重量的工作效能，对卫星整体重量必须进行严格控制，光学天线系统作为无线激光通信系统的重要组成部分，正在朝着小型化、集成化的方向发展，它的小型化具有十分重要的意义。
[0003]光学天线的小型化与集成化可以通过改进光路、减少光学元件、引进新型光学器件等方面实现。新型光学器件如光子晶体材料[1’2]、二元光学器件在光学器件小型化和集成化中有着越来越重要的作用，被广泛应用到各个方面。并在国内外掀起了研宄热潮。
[0004]二维光子晶体波导具有卓越的导光性能。1996年，Mekist3]等提出了光子晶体直角波导，使光子晶体波导的应用更加灵活，用途也更加广泛。传统介质波导经过一个直角弯时，存在辐射损耗，一般传输率只有30% [4]，因而利用传统介质波导不可能在尺度上实现光学器件的集成；而光子晶体波导极小的弯曲损耗，使得光子晶体器件能够在微米尺度上进行集成。在传统光学天线中，需要用大量的透镜和反射镜来控制光路，致使传统光学天线结构复杂，且体积庞大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供基于液晶调制的自准直光子晶体光开关，解决了传统光学天线结构复杂，且体积庞大的问题。
[0006]本发明所采用的技术方案是若干根均匀介质圆柱排列在壳体内，壳体内充满液体介质，介质的介电常数为ε = 11.56，圆柱之间的间距为a = 0.550 μπι。
[0007]进一步，所述圆柱材料为碳；
[0008]进一步，所述圆柱排列方式为21X21。
[0009]本发明的有益效果是引入光子晶体波导集成光学器件来控制光的传输，可以代替一部分透镜和反射镜，从而达到光学天线小型化。
【附图说明】
[0010]图1是本发明自准直光子晶体光开关结构示意图；
[0011]图2是光子晶体TM模能带图；
[0012]图3是光波在直角光子晶体波导中传播时的场分布模拟图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0014]液晶折射率的可调性使基于液晶材料的光子晶体光开关成为可能。本发明基于光诱导液晶取向技术和光子晶体自准直效应，设计了全光光子晶体光开关。光子晶体由二维三角晶格排列的硅介质柱构成，背景介质为液晶。使用平面波展开法计算了光子晶体的等频线和能带图，确定了光子晶体的自准直频率和带隙。使用时域有限差分法计算了光子晶体的传输谱，并对光在光子晶体中传播时的场分布进行了仿真。
[0015]光子晶体光开关结构:光子晶体是一种由周期排列介质构成的新型人工结构。1991年Yablonovitch制作出了第一个具有全方位光子晶体带隙的结构[5]，并验证了光子禁带的存在。
[0016]如果光子的能量落入光子禁带频率范围内，则不能在介质中传播。如果在光子晶体中引入线缺陷，则形成光子晶体波导，其行为类似于光波导，处于光子晶体禁带光波段的光可以在波导中低损耗传播。当线缺陷90°弯曲时，依然可以以极低损耗传播，其传输率理论上可以达到100%。利用这个性质，光子晶体波导可以用于集成光路和光互联[1’2’6]。
[0017]空间光通信中信标光波段常用0.800?0.860 μm，信号光波段常用0.980 μm，1.550 μ mo以1.550 μπι波段为例，本发明设计了针对该波段TM模的光子晶体波导，用以实现该波段光在光学天线中传输光路的控制，并对直角波导中的光传输进行了 FDTD模拟。
[0018]本发明提出的自准直光子晶体光开关结构为:
[0019]使用平面波展开法(PWE Method)针对1.550 μ m波段进行优化设计，使该波段的光落入光子禁带频率范围，使用的计算软件为开源软件MIT Photonic Bands(MPB) m。图1为优化设计后的光子晶体结构图。
[0020]图1所示的光子晶体结构由空气中优选数量为21X21(21为圆柱体个数)的均匀介质圆柱I构成，长度根据需要制定，圆柱I优选为硅圆柱。圆柱I位于壳体2内，壳体2内充满液体介质3，介质3的介电常数为ε = 11.56，圆柱I之间的间距为a = 0.550 μπι。在光子晶体中形成直角光子晶体波导。
[0021]图2为光子晶体能带图，从图中可以看到存在三个带隙，第一个带隙以0.355为中心，带隙范围为0.2876?0.4228，带隙宽度为38.06%,具有较大的带隙宽度。在此禁带范围内的光由于处于光子晶体禁带范围，只能沿着光子晶体波导中传播，能量也将集中在波导中传播，而此禁带范围外的光无论是在空气中还是在光子晶体中，散射都很厉害，将会快速发散掉。
[0022]1.550 μ m对应的归一化波长为2.818，光源采用中心归一化频率为0.355，频率带宽0.05的高斯光源。光源从光子晶体正下方波导入口输入，从右边出口输出。
[0023]图3是光波在直角光子晶体波导中传播时的场分布模拟。从图中可以看到光波能量集中在直角光子晶体波导中传输，传输过程中具有极低的损耗。
[0024]光波在光子晶体波导中传输的FDTD模拟:为了检测光子晶体波导中光的传输情况，我们使用时域有限差分法(FDTD Method)对光的传输进行模拟，使用的仿真软件为开源软件 MIT Electromagnetic Equat1n Propagat1n (Meep)[8]。
[0025]光源采用中心归一化频率为0.355，频率带宽0.05的高斯光源。光源从光子晶体正下方波导入口输入，从右边出口输出。图3是光波在直角光子晶体波导中传播时的场分布模拟。从图中可以看到光波能量集中在直角光子晶体波导中传输，传输过程中具有极低的损耗。
[0026]结论:本文基于光诱导液晶取向技术和光子晶体自准直效应，设计了全光光子晶体光开关。光子晶体由二维三角晶格排列的硅介质柱构成，背景介质为液晶。使用平面波展开法计算了光子晶体的等频线和能带图，确定了光子晶体的自准直频率和带隙。使用时域有限差分法计算了光子晶体的传输谱，并对光在光子晶体中传播时的场分布进行了仿真。通过液晶折射率的可调性来实现基于液晶材料的光子晶体光开关。
[0027]以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
[0028]索引目录:
[0029][I] Jianling Yin，Xuguang Huang, Songhao Liu.Photonic CrystalField-Sensitive Polarizer and Switch Modulated by Bemaic Liquid Crystals[J].Acta Physica Sinica，2006，55(10):5268-5276.
[0030][2]Bo Yang, Jingqiu Liang, Zhongzhu Liang.The Optical Properties of ALiquid Crystal-Metal Photonic Crystal Waveguide[J].Chinese Journal of Luminescence，2011，32 (11): 1159-1164.
[0031][3] Heming Chen，Guodong Wang.Design of New Photonic CrystalAll-Optical Switching Based on Dynamical Shift of Defect Mode[J].Acta OpticaSinica, 2011 (03):267-272.
[0032][4]Kui HanjZiyu Wang,XiaopengjShen.Mach-Zehnder InterferometerDesigned Based on Self-Collimating Beams and Photonic Band Gap in PhotonicCrystals[J].Acta Physica Sinica，2011 (04):277-283.
[0033][5] Shengyu Chen, Dongxia Zhuangj Zexuan Qiang.1 X 40ptical MultiplexerBased on Self-Collimat1n Effect in Silicon Photonic Crystals[J].0ptics andPrecis1n Engineering, 2012，20(12):2626-2632.
[0034][6] Lei Li，Guiqiang Liu，Yuanhao Chen.An Optical Switch Basedon Coupled Heterostructure Photonic-Crystal Waveguide[J].Acta OpticaSinica, 2013(01):216-222.
[0035][7]Heming Chen, Xiaoying We1.The Design of High-speed Photonic CrystalOptical Switch[J].0pto-Electronic Engineering, 2013 (11):34-39.
[0036][8]Jihuan Pan,An Su，Chengju Meng.Modulat1n of Optical Thickness onTransmiss1n Spectrum of Photonic Crystal[J].Laser&Infrared，2014(05):559_5620
【主权项】
1.基于液晶调制的自准直光子晶体光开关，其特征在于:若干根均匀介质圆柱(I)排列在壳体⑵内，壳体⑵内充满液体介质(3)，介质(3)的介电常数为ε = 11.56，圆柱(I)之间的间距为a = 0.550 μ m。
2.按照权利要求1所述基于液晶调制的自准直光子晶体光开关，其特征在于:所述圆柱(I)材料为碳。
3.按照权利要求1所述基于液晶调制的自准直光子晶体光开关，其特征在于:所述圆柱(I)排列方式为21X21。
【专利摘要】本发明公开了基于液晶调制的自准直光子晶体光开关，若干根均匀介质圆柱排列在壳体内，壳体内充满液体介质，介质的介电常数为ε＝11.56，圆柱之间的间距为a＝0.550μm。圆柱材料为碳；圆柱排列方式为21×21。本发明的有益效果是引入光子晶体波导集成光学器件来控制光的传输，可以代替一部分透镜和反射镜，从而达到光学天线小型化。
【IPC分类】G02B6-122, G02F1-13
【公开号】CN104570205
【申请号】CN201410849078
【发明人】李晓辉, 伍振海, 刘旭飞
【申请人】重庆工商职业学院
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月31日