一种基于完全禁带型光子晶体波导的x形交叉偏振光桥的制作方法
【专利摘要】本发明适用于微小光学偏振光桥领域，提供了一种基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥。所述X形交叉偏振光桥包括沿第一方向平行设置的TE输入波导、TM输入波导，和TE输出波导、TM输出波导,TE输入波导与TE输出波导之间具有第一连接光桥，第一连接光桥内设有方形缺陷介质柱；TM输入波导与TM输出波导之间具有第二连接光桥，第二连接光桥内设有圆形缺陷介质柱，所述第一连接光桥与第二连接光桥垂直相交，信号经X形交叉偏振光桥后输出。本发明旨在提供一种结构体积小、工作波长范围宽、信号保真度高、电磁波传输效率高，适用于大规模光路集成并可实现光路交换移位的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥。
【专利说明】-种基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥
【技术领域】
[0001] 本发明属于微小光学偏振光桥领域，尤其涉及一种基于完全禁带型光子晶体波导 的X形交叉偏振光桥。
【背景技术】
[0002] 传统的光桥及偏振光桥应用的大多是几何光学原理，缺点比较明显：体积都比较 大，无法用于光路集成。而以光子晶体为基础，可以制作体积小且便于光路集成的器件，包 括偏振光桥。架设偏振光桥的光子晶体导波一般通过对具有完全禁带的光子晶体引入缺陷 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，即自映像效应，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。但是通过这两种方法设计出的常规偏振器件，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，但是功能单一， 而且体积还是不够小，从而不利于大规模光路的集成。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、 偏振度高、工作波长范围宽、信号保真度高、电磁波传输效率高，适合应用于大规模光路集 成并可实现光路交换移位的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥。
[0004] 本发明是这样实现的，一种基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥， 所述X形交叉偏振光桥包括：沿第一方向平行设置的TE输入波导和TM输入波导；沿第一 方向平行设置的TE输出波导和TM输出波导；所述TE输入波导与TE输出波导之间具有第 一连接光桥，第一连接光桥内设有方形缺陷介质柱；TE输入波导、第一连接光桥、TE输出波 导形成TE通道；所述TM输入波导与TM输出波导之间具有第二连接光桥，第二连接光桥内 设有圆形缺陷介质柱；TM输入波导、第二连接光桥、TM输出波导形成TM通道；所述第一连 接光桥与第二连接光桥垂直相交，且在交叉位置上TE波与TM波互不干扰。
[0005] 进一步地，所述第一连接光桥内设置有若干组在所述交叉位置两侧对称分布的方 形缺陷介质柱，所述第二连接光桥内设置有若干组在所述交叉位置两侧对称分布的圆形缺 陷介质柱，每组方形缺陷介质柱由若干个方形缺陷介质柱组成，每组圆形缺陷介质柱由若 干个圆形缺陷介质柱组成。
[0006] 进一步地，所述的光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括蜂窝结构二维光子晶 体波导或孔状三角晶格二维光子晶体波导或各种非规则形状二维光子晶体波导。
[0007] 进一步地，所述光子晶体波导中布设有背景介质柱，所述的TE通道和TM通道为在 光子晶体中移除相应排数的介质柱后形成。
[0008] 进一步地，所述光子晶体波导的平面垂直于所述的光子晶体中的背景介质柱的轴 线。
[0009] 进一步地，所述的背景介质柱、方形缺陷介质柱、圆形缺陷介质柱的e光折射率大 于〇光折射率，且所述的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。
[0010] 进一步地，所述的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
[0011] 进一步地，所述的背景介质柱由碲介质柱阵列形成。
[0012] 本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的由光子晶体波导构成的X 形交叉偏振光桥，一方面较传统光桥而言，波导结构具有体积小，传输效率高，结构简单，易 于级联（即适合于大规模光路的集成）的优势，并且，由于光子晶体的光子局域和光子带隙 特性，光波在传输过程中具有非常低的损耗，也使得本结构具有非常宽的稳定工作带宽；另 一方面，由各向异性材料构成的缺陷介质柱，因为具有不同的e光折射率和O光折射率，使 其对不同偏振形式的光波具有不同的反射和透射系数，因此可获得非常理想的偏振度和隔 离度，从而使本发明所提出的结构具有非常高的信号保真度和光传输效率。本发明在短程 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。另外，平行输入 的TE波和TM波经X形交叉偏振光桥后，TE波和TM波交换上下位置，平行输出，实现了 TE 波和TM波的光路交换移位功能。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，实现不同波长的偏 振光桥功能。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明实施例提供的使用Tellurium材料制作的基于完全禁带型光子晶体 波导的X形交叉偏振光桥结构示意图及参数分布图。
[0014] 图2是本发明实施例提供的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥的 各通道在禁带频率范围内的消光比、偏振度、插入损耗。
[0015] 其中，图2(a)是本发明实施例提供的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交 叉偏振光桥的各通道在禁带频率范围内的消光比，其中PER代表消光比（Polarization Extinction Ratio)；
[0016] 图2(b)是本发明实施例提供的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉 偏振光桥的各通道在禁带频率范围内的偏振度，其中DOP代表偏振度（Degree of Polarization)；
[0017] 图2(c)是本发明实施例提供的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光 桥的各通道在禁带频率范围内的插入损耗（Insert Loss)。
[0018] 图3是本发明实施例提供的基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥实 现后述功能中（1)、（2)、（4)、（5)条时的电场分布示意图。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0020] 本发明实施例介绍了如图1所示的一种基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉 偏振光桥，其具体包括TE输入波导IUTM输入波导12、TE输出波导13、TM输出波导14、第 一连接光桥15、第二连接光桥16。
[0021] 其中TE输入波导11与TE输出波导13之间具有第一连接光桥15,第一连接光桥 15内设有方形缺陷介质柱；TE输入波导11、第一连接光桥15、TE输出波导13形成TE通 道；而TM输入波导12与TM输出波导14之间具有第二连接光桥16,第二连接光桥16内设 有圆形缺陷介质柱；TM输入波导12、第二连接光桥16、TM输出波导14形成TM通道；所述 第一连接光桥15与第二连接光桥16垂直相交，且在交叉位置上TE波与TM波互不干扰。
[0022] 如图1所75,半径较大的圆表背景締介质柱，光轴方向垂直纸面向外，其半径为 R = 0. 3431a。在TE通道中，方形缺陷介质柱（TE选择缺陷）的光轴方向与纸面平行并且 平行于方形缺陷介质柱下端面，其边长为d = 0. 5711a，其位置中心与所删除背景介质柱的 各个圆心相同。在TM通道中，半径较小的圆表不圆形缺陷介质柱（TM选择缺陷），其光轴方 向与背景介质柱相同，半径为r = 0. 165a，其位置中心与所删除背景介质柱的各个圆心相 同。TE通道与TM通道交叉位置为不同偏振重叠区域，即X形偏振光桥的交叉节点。本发明 实施例中所用的材料皆为正单轴各项异性材料，本器件的结构示意图及其余相关参数如图 1所示。
[0023] 本发明实施例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n。= 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，本发明实施例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。締介质的Sellmeier色散方程为：
[0024] ne = [29. 5222+9. 3068 A 2 ( A 2-2. 5766) +9. 2350 A 2 ( A 2-13521)_1]1/2 (I)
[0025] n0 = [18. 5346+4. 3289 A 2 ( A 2-3. 9810) _1+3. 7800 A 2 ( A 2-l 1813)_1]1/2 (2)
[0026] 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 (? a/2 c)， 在该频段范围内的任何频率的电磁波将被限制在波导中。
[0027] 本发明实施例通过在上述波导中引入不同的偏振选择缺陷，并合理选择偏振选择 缺陷的参数，使TE选择缺陷对TE波和TM波的等效折射率不同，对TM波实现全反射，而对 TE波实现全透射；同理，使TM选择缺陷对TE波和TM波的等效折射率不同，对TE波实现全 反射，而对TM波实现全透射。将这些不同尺寸、不同形状的偏振选择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电磁波在各自允许传播的波导中传播，而且 在波导垂直交叉位置不会产生干扰，即在TE通道中，TE波能够通过而TM波被全部反射；在 TM通道中，TM波能够通过而TE波被全部反射。
[0028] 如图1所示，本发明实施例所使用碲介质波导需要删除两行（平行方向）或三行 (倾斜方向）介质柱而形成导波波导。本说明实施例中使用笛卡尔直角坐标系：x轴正方向 为水平向右；y轴正方向为在纸面内坚直向上；z轴正方向为垂直于纸面向外。
[0029] 不同的偏振通道中，偏振选择缺陷的等效折射率为：
[0030]
【权利要求】
1. 一种基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述X形交叉 偏振光桥包括： 沿第一方向平行设置的TE输入波导和TM输入波导； 沿第一方向平行设置的TE输出波导和TM输出波导； 所述TE输入波导与TE输出波导之间具有第一连接光桥，第一连接光桥内设有方形缺 陷介质柱；TE输入波导、第一连接光桥、TE输出波导形成TE通道； 所述TM输入波导与TM输出波导之间具有第二连接光桥，第二连接光桥内设有圆形缺 陷介质柱；TM输入波导、第二连接光桥、TM输出波导形成TM通道； 所述第一连接光桥与第二连接光桥垂直相交，且在交叉位置上TE波与TM波互不干扰。
2. 如权利要求1所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述第一连接光桥内设置有若 干组在所述交叉位置两侧对称分布的方形缺陷介质柱，所述第二连接光桥内设置有若干组 在所述交叉位置两侧对称分布的圆形缺陷介质柱，每组方形缺陷介质柱由若干个方形缺陷 介质柱组成，每组圆形缺陷介质柱由若干个圆形缺陷介质柱组成。
3. 如权利要求1所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述的光子晶体波导为二维光 子晶体波导，包括蜂窝结构二维光子晶体波导或孔状三角晶格二维光子晶体波导或各种非 规则形状二维光子晶体波导。
4. 如权利要求1所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述光子晶体波导中布设有背 景介质柱，所述的TE通道和TM通道为在光子晶体中移除相应排数的介质柱后形成。
5. 如权利要求4所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述光子晶体波导的平面垂直 于所述的光子晶体中的背景介质柱的轴线。
6. 如权利要求1所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述的背景介质柱、方形缺陷 介质柱、圆形缺陷介质柱的e光折射率大于〇光折射率，且所述的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。
7. 如权利要求1所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述的圆形缺陷介质柱的光轴 与背景介质柱的光轴方向一致。
8. 如权利要求7所述的X形交叉偏振光桥，其特征在于，所述的背景介质柱由碲介质柱 阵列形成。
【文档编号】G02B6/126GK104360440SQ201410614436
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】林密, 欧阳征标, 金鑫, 文国华, 王晶晶 申请人:深圳大学