基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，旨在提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成而且高效，同时在十字交叉处不产生串扰的偏振光桥。它包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，光子晶体波导呈十字形状，光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。
【专利说明】基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥
【技术领域】
[0001]本发明涉及微小光学偏振光桥领域，尤其涉及一种基于光子晶体技术的微小光学偏振光桥。
【背景技术】
[0002]传统的光桥及偏振光桥应用的是几何光学原理，因此体积都比较大，无法用于光路集成中。以光子晶体为基础可以制作微小的器件，包括偏振光桥。架设偏振光桥的光子晶体导波光路一般通过对具有完全禁带的光子晶体引入线缺陷来构建。在偏振光控制与分离技术角度，一般通过两种方法实现:一种是利用一块具有TE禁带和TM导带或TM禁带和TE导带的光子晶体来实现波的偏振分离。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把不同偏振态的光波耦合到不同的波导。通过这两种方法仅可以设计出常规的偏振器件，并不能应用其特性来设计偏振光桥，即一种可以在波导结点位置允许不同偏振态的光信号交叉导通而不相互影响的器件。另外，上述的光子晶体波导虽然其体积比传统的偏振器件小了很多，但是功能单一而且还是显得比较大。
【发明内容】
[0003]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、便于集成且高效的光子晶体十字红外偏振光桥。
[0004]为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案:
[0005]本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出，而输入的TE光信号从TE输出端口输出。
[0006]所述垂直TE波导中的缺陷介质柱为四个方形介质柱，水平TM波导中的缺陷介质柱为三个圆形介质柱；所述垂直TE波导的四个方形介质柱和水平TM波导的三个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同。
[0007]所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端。
[0008]所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。
[0009]所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除I排或2排或3排或4排介质柱后的结构。[0010]所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。
[0011]所述波导缺陷介质柱中的e光折射率大于O光折射率，且波导方形缺陷介质柱的光轴平行于光子晶体波导平面并与波的传播方向正交。
[0012]所述波导缺陷介质柱数量为I根或2根或3根或4根或5根或6根。
[0013]所述TM波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
[0014]所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行或两列介质柱而形成导波波导。
[0015]本发明与现有技术相比具有以下的优点:
[0016]1.结构体积小,光传输效率高,适合大规模光路集成；
[0017]2.本发明可以短程高效地定向导通TE、TM的光波信号，在十字光桥交叉位置不产生串扰。
[0018]3.在短程通过四个点缺陷就可以实现偏振光波定向导通的功能，便于集成而且高效；
[0019]4.本器件与其它耦合腔模式偏振分光器件相比，具有很高消光比、偏振度高以及极低的插入损耗，较宽的工作波长范围，可以允许有一定频谱宽度的脉冲，或高斯光，或不同波长的光工作，或多个波长的光同时工作。
[0020]5.依据其偏振选择的特性可以在既有光桥架构上实现5种不同的应用功能。
[0021]6.本发明原理在不考虑色散或色散可以忽略的情况下，可以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。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明使用的Tellurium光子晶体及波导结构示意图。
[0023]图中:TM光信号输入端I (左方端口 I) TE光信号输入端2 (左方端口 2) TM光信号输出端3 (右方端口 3) TE光信号输出端4 (上方端口 4)背景締介质柱5方形缺陷介质柱6圆形缺陷介质柱7
[0024]图2是本发明光子晶体十字红外偏振光桥的结构示意图及参数分布图。
[0025]图中:晶格常数L1=a波导间介质柱圆心间距L2=3a方形点缺陷边长L3=0.538a圆形点缺陷与背景介质柱5的距离L4=L 5a方形点缺陷之间距离与背景介质柱5的距离L5=a圆形点缺陷之间距离L6=a背景碲介质柱5的半径R1=0.3431a圆形点缺陷半径R2=0.165a
[0026]图3是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的消光比(ExtinctionRatio, EXR)。
[0027]图4是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的偏振度(Degree ofPolarization, D0P)o
[0028]图5是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的插入损耗(Insertion Loss)。
[0029]图6是本发明偏振光桥实现功能(I)、(3)、(4)时的光场分布示意图。
[0030]图7为图1光桥中光场分量的分布图。
[0031]图7 (a):TE分量的分布图。
[0032]图7 (b):TM分量的分布图。【具体实施方式】
[0033]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细阐述:
[0034]如图1中所示，本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成。本器件初始信号光从左方端口 I和下方端口 2入射，上方端口 4输出TE光波,右方端口 3输出TM光波。背景締介质柱5,光轴方向垂直纸面向外,其半径为R=0.3431a。方形缺陷介质柱6，光轴方向与纸面平行并且平行于正方体下端面，其边长为L=0.538a，其位置中心与对应的为形成波导所删除背景介质柱5的各个圆心相同。圆形缺陷介质柱7，光轴方向与背景介质柱相同，其半径为R=0.165a,其位置中心与对应的为形成波导所删除背景介质柱5的各个圆心相同。
[0035]本发明的原理介绍主要针对碲介质加以解释。碲是一种正单轴晶体，在很多科学研究中，近似地认为在红外波段3.5至35微米之间碲介质是无色散的，即11。=4.8, ne=6.2。然而，鉴于更准确的把握碲光子晶体的本质特性，以及更好的为实践应用作指导，本发明中的所有研究结果都是以碲光子晶体Sellmeier色散曲线为基础而研究的。碲介质的Sellmeier色散方程为:
[0036]ne = [9.5222+9.3068 λ 2 ( λ 2-2.5766) _1+9.2350 λ 2 ( λ 2-13521) ^1]1/2 (I)
[0037]η。= [18.5346+4.3289 λ 2 ( λ 2-3.9810) _1+3.7800 λ 2 ( λ 2-11813) ^1]1/2 (2)
[0038]当e光轴与介质柱轴同向时，通过平面波展开可以得到其光子禁带。当光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，半径为0.3431a时，其光子禁带为3.893至4.223 (ω a/2 π c)，其中间的任何频率的光波将被限制在波导中。
[0039]本发明通过在上述波导中引入点缺陷，使点缺陷针对不同偏振态的光波的等效折射率不同，继而确定符合单偏振态全反射，同时另一偏振态全透射的点缺陷参数。将这些不同规格的点缺陷应用到不同偏振态波导的端面附近，就可以实现不同偏振态的光波在各自允许传播的波导中传播，而且在波导交叉位置不会产生干扰。
[0040]如图1与图2所示，本发明所使用碲介质波导需要删除两行或两列介质柱而形成导波波导，其L1 = a, L2 = 3a，背景介质柱5的半径R1=0.3431a。本说明中使用笛卡尔直角坐标系:x轴正方向为水平向右；7轴正方向为在纸面内竖直向上轴正方向为垂直于纸面向外。
[0041]点缺陷的等效折射率为:
【权利要求】
1.一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，其特征在于:所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波,TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出，而输入的TE光信号从TE输出端口输出。
2.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述垂直TE波导中的缺陷介质柱为四个方形介质柱，水平TM波导中的缺陷介质柱为三个圆形介质柱；所述垂直TE波导的四个方形介质柱和水平TM波导的三个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同。
3.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端。
4.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。
5.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除I排或2排或3排或4排介质柱后的结构。
6.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。
7.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述波导缺陷介质柱中的e光折射率大于ο光折射率,且波导方形缺陷介质柱的光轴平行于光子晶体波导平面并与波的传播方向正交。
8.按照权利要求1或7所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述波导缺陷介质柱数量为I根或2根或3根或4根或5根或6根。
9.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述TM波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
10.按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于:所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行或两列介质柱而形成导波波导。
【文档编号】G02B6/126GK103901537SQ201410108216
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】欧阳征标, 金鑫, 余铨强, 文国华 申请人:深圳大学