专利名称：基于光子晶体正负折射的偏振分束器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及偏振分束器件，特别是一种基于光子晶体正负折射的偏振分束器。
背景技术：
光子晶体(Photonic Crystal)是一种人工制作的周期性结构[J.D.Joannopoulos，Photonic crystalsMolding the flow of light，Princeton，1995]，利用介质材料如氧化铝、二氧化硅、硅、砷化镓、磷化铟等制作的二维周期性结构，也可以是在介质背景中二维周期性分布的金属柱子阵列。所述的二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个柱子的中心的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。最短连线的长度称为晶格常数。因为微波和光波同为电磁波，它们的行为同样遵循Maxwell方程，所以光子晶体可以应用在微波段和光波段，只是两个波段的尺寸大小不同。
对于普通的材料，电磁波束在不同材料的界面上发生的是正折射，即，入射波[如光子晶体，M.Notomi，Theory oflight propagation in strongly modulatedphotonic crystalsRefractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap，Phys.Rev.B 62，10696，2000]与周围环境(如普通材料或空气)的界面上，电磁波束可以发生负折射，即，入射波束和折射波束在界面法线的同一侧。
文献[S.Kim，Opt.Lett.28，2384，2003]利用光子晶体的不同偏振态的禁带位置不同设计了一种偏振分束器，即一个偏振态的电磁波束可以透过光子晶体，而另一个偏振态的电磁波束被反射。文献[X.Y.Chen，Chinese Phys.Lett.21，1285，2004]设计了光子晶体线缺陷Y型分支波导，一个分支波导透过一个偏振态的电磁波而反射另一个偏振态的电磁波，另一个分支波导则反过来。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于光子晶体正负折射的偏振分束器。
本实用新型采用的技术方案是一、基于光子晶体正负折射的偏振分束器，有二种结构形式1)在衬底上的介质材料中二维周期性排列的空气柱子阵列，或金属柱子阵列，或另一种介质材料柱子阵列构成光子晶体。
2)在衬底上以二维周期性排列的金属柱子阵列或介质材料柱子阵列构成光子晶体。
所述的二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个柱子的中心的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。
所述的阵列的形状为长方形或三角形。
二、基于光子晶体正负折射效应的偏振分束方法以长方形或三角形的光子晶体，作为电磁波的偏振分束元件，入射电磁波波束含有两个偏振态，从环境界面入射后，其中一个偏振态的电磁波束在环境界面上经历负折射，入射电磁波波束和折射电磁波波束在光子晶体与环境界面的法线的同一侧；另一个偏振态的电磁波波束在光子晶体与环境界面上经历正折射，入射电磁波波束和折射电磁波波束分别位于法线的两侧，从而把两个偏振态的电磁波波束分开，实现偏振分束。
入射电磁波波束与法线的夹角为10°～80°。
本实用新型具有的有益的效果是本器件利用光子晶体实现了偏振分光，两个偏振态的电磁波束都工作在透射模式，具有小尺寸、易于集成、工艺简单等优点，可以用于微波段和光波段。
图1是介质材料中柱子阵列构成的平板形光子晶体偏振分束器的结构原理示意图；图2是图1的A-A剖视图；图3是三角形偏振分束器的结构原理示意图；图4是空气中柱子阵列构成的平板形光子晶体偏振分束器的结构原理示意图；图5是图4的B-B剖视图；图6是光子晶体能带结构特征示意图；图7是氧化铝中三角晶格排列的银圆柱阵列构成的光子晶体的能带结构，黑圆圈代表TE偏振，黑方块代表TM偏振；图8是空气中三角晶格排列的砷化镓圆柱阵列构成的光子晶体的能带结构，(a)TE偏振，(b)TM偏振。
图中1、平板形状，2、三角形状，3、入射电磁波波束，4、折射电磁波波束，5、折射电磁波波束，6、环境界面，7、法线，8、介质材料，9、衬底，10、介质材料柱子阵列。
具体实施方式
如图1、图2所示，在衬底9上的介质材料8中二维周期性排列的空气柱子阵列，或金属柱子阵列，或另一种介质材料柱子阵列构成光子晶体。
如图4、图5所示，在衬底9上以二维周期性排列的金属柱子阵列或介质材料柱子阵列10构成光子晶体。
所述的二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个柱子的中心的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。
所述的阵列的形状为长方形1(如图1、图4所示)或三角形2(如图3所示)。
所述的介质材料板的材料为氧化铝、二氧化硅、硅、砷化镓或磷化铟。
基于光子晶体正负折射效应的偏振分束方法以长方形1或三角形2的光子晶体，作为电磁波的偏振分束元件，入射电磁波波束3含有两个偏振态，从环境界面6入射后，其中一个偏振态的电磁波束在环境界面上经历负折射，入射电磁波波束3和折射电磁波波束4在光子晶体与环境界面6的法线7的同一侧；另一个偏振态的电磁波波束在光子晶体与环境界面6上经历正折射，入射电磁波波束3和折射电磁波波束5分别位于法线7的两侧，从而把两个偏振态的电磁波波束分开，实现偏振分束。
入射电磁波波束3与法线7的夹角为10°～80°。
本实用新型涉及的光子晶体，其工作频率范围内的能带特征具有图6的特征，即，对于偏振态I来说，随着波矢增大频率减小，光子晶体对这个偏振态表现出负折射效应；对于偏振态II来说，随着波矢增大频率也增大，光子晶体对这个偏振态表现出正折射效应。能带具有图6的特征的光子晶体就是本实用新型的偏振分束元件。把光子晶体切成平板型或三角形，入射电磁波波束在一个界面上斜入射就可以实现偏振分束。
实施例1基于介质背景银纳米线阵列的偏振分束器这里的光子晶体是氧化铝背景中三角晶格排列的银圆柱阵列，晶格常数a＝300nm。当银圆柱半径r＝0.255a时，该光子晶体在频率ω＝0.40(2πc/a)时，TE偏振的等效折射率是-1而TM偏振的等效折射率是+1，相应的能带结构如图7。
实施例2基于介质圆柱阵列的偏振分束器这里的光子晶体是空气中三角晶格排列的砷化镓圆柱阵列，晶格常数a＝1155nm，圆柱半径r＝0.15a。图8给出了这种光子晶体的能带结构，工作频率为ω＝0.75-0.79(2πc/a)。TE偏振工作在负折射，而TM偏振是正折射。
权利要求1.基于光子晶体正负折射的偏振分束器，其特征在于在衬底(9)上的介质材料(8)中二维周期性排列的空气柱子阵列，或金属柱子阵列，或另一种介质材料柱子阵列构成光子晶体。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体正负折射的偏振分束器，其特征在于所述的二维周期性排列是指阵列中任何相邻的三个柱子的中心的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。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体正负折射的偏振分束器，其特征在于所述的阵列的形状为长方形(1)或三角形(2)。
4.基于光子晶体正负折射的偏振分束器，其特征在于在衬底(9)上以二维周期性排列的金属柱子阵列或介质材料柱子阵列(10)构成光子晶体。
5.根据权利要求4所述的基于光子晶体正负折射的偏振分束器，其特征在于所述的二维周期性是指，阵列中任何相邻的三个柱子的中心的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。
6.根据权利要求4所述的基于光子晶体正负折射的偏振分束器，其特征在于所述的阵列的形状为长方形(1)或三角形(2)。
专利摘要一种基于光子晶体正负折射的偏振分束器。在衬底上的介质材料中二维周期性排列的空气柱子阵列，或金属柱子阵列，或另一种介质材料柱子阵列构成光子晶体；或在衬底上以二维周期性排列的金属柱子阵列或介质材料柱子阵列构成光子晶体。入射电磁波波束从环境界面入射后，一个在环境界面上经历负折射，入射电磁波波束和折射电磁波波束在光子晶体与环境界面的法线的同一侧；另一个在环境界面上经历正折射，入射电磁波波束和折射电磁波波束分别位于法线的两侧，把两个偏振态的电磁波波束分开，实现偏振分束。本实用新型利用光子晶体实现了偏振分光，两个偏振态的电磁波束都工作在透射模式，具有小尺寸、易于集成、工艺简单等优点，可以用于微波段和光波段。
文档编号G02B27/28GK2842451SQ20052001364
公开日2006年11月29日 申请日期2005年7月29日 优先权日2005年7月29日
发明者何赛灵, 敖献煜 申请人:浙江大学