專利名稱：光子晶體光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用光子晶體的光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
近年來，關(guān)于稱作多孔光纖(holey fibers)或者光子晶體光纖的新型光纖的研發(fā)取得了很大的進步。在常規(guī)的光纖中，利用簡單的折射率差異將光約束在纖芯部分。相反，這些新型光纖的特點在于在它們的橫截面上具有復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu)。例如，通過在包層部分排列孔洞而減小包層部分的有效折射率，以在包層部分和纖芯部分之間形成折射率差異，從而可以將光約束在纖芯部分中?；蛘?，通過構(gòu)造光子晶體的包層部分而在纖芯部分中形成對于被傳導(dǎo)光的光子能帶隙(photonic band gap)，從而可以將光約束在纖芯部分中。利用這樣的方法構(gòu)成光纖。
利用多孔光纖和光子晶體光纖的結(jié)構(gòu)有可能顯著改變它們的特性，從而提出了諸如具有遞增波長色散的色散補償光纖、具有較大非線性效應(yīng)的光纖以及在可見光譜具有零色散的零色散光纖的應(yīng)用。并且，利用例如加熱并拉伸大量捆扎在一起的石英管可以制作復(fù)雜的二維結(jié)構(gòu)(參看例子“O Plus E”，vol.23，No.9，p1061，2001)。
在目前提出的多孔光纖和光子晶體光纖中，被傳導(dǎo)光使用0階模的單模傳播在纖芯部分中傳播。在單模傳播中，折射率相對于頻率的變化非常小。因此，不可能獲得群速度反?；蛘呱⒑艽蟮奶匦浴Ｒ虼?，雖然單模傳播是防止由于多模傳播引起的波長色散的必要條件，但是同時它也對纖芯的截面區(qū)域和光纖的性能造成了嚴(yán)格的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題以及提供一種能夠傳播所希望能帶的傳播光的光子晶體光波導(dǎo)。
根據(jù)本發(fā)明的光子晶體光波導(dǎo)包括一個光波導(dǎo)部分，具有由光子晶體制造的纖芯，纖芯具有至少一個與被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性的折射率的結(jié)構(gòu)，并且在被傳導(dǎo)光傳播方向上具有統(tǒng)一的折射率，并設(shè)置了與纖芯接觸的包層，用以將被傳導(dǎo)光約束在纖芯中，并設(shè)置了很接近于或者接觸纖芯入射面的入射側(cè)相位調(diào)制部分。
附圖簡述

圖1為示出了一維光子晶體的剖視圖；圖2為示出了在一維光子晶體中TE偏振光的光子能帶結(jié)構(gòu)的能帶圖；圖3為示出了在一維光子晶體中TM偏振光的光子能帶結(jié)構(gòu)的能帶圖；圖4為示出了光子晶體光波導(dǎo)構(gòu)造的透視圖；圖5為示出了使用二維光子晶體的光纖構(gòu)造的透視圖；圖6為示出了在一維光子晶體中沿著Z軸方向的第一級能帶傳播光的電場強度的示意圖；圖7為示出了在一維光子晶體中沿著Z軸方向的較高級能帶傳播光的電場強度的示意圖；圖8為示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)構(gòu)造的剖視圖；圖9為示出了在根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)中被傳導(dǎo)光在Z軸方向的電場強度的示意圖；圖10為示出了在根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)中的電場的示意圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光子晶體光波導(dǎo)的剖視圖；圖12為根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光子晶體光波導(dǎo)的剖視圖；圖13A和13B示出了一維光子晶體的能帶圖，其中兩種交替不同的材料以相同的厚度互相層疊；
圖14A和14B為具有一種多層結(jié)構(gòu)的二維光子晶體的示意圖；圖15為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)的透視圖；圖16為示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的補償相位差的光波導(dǎo)元件的透視圖；圖17為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子晶體光纖的示意圖；圖18為根據(jù)本發(fā)明一個實施例的同心圓形光子晶體光纖的示意圖。
發(fā)明詳述根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)能夠傳播具有特定較高階光子能帶的波。因此，能夠高效地利用該光子晶體的功能。
在根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光子晶體光波導(dǎo)中，纖芯中的光傳播方向上有一個光子能帶，入射側(cè)相位調(diào)制部分對入射的被傳導(dǎo)光進行相位調(diào)制，并讓其通過光波導(dǎo)部分的纖芯傳播，并且纖芯將經(jīng)過調(diào)相的被傳導(dǎo)光的全部或者至少一半的能量作為與所述光子能帶的較高階光子能帶相聯(lián)的波而傳播。因此，由于可以使第一階能帶傳播光在纖芯中傳播，因此較高階能帶傳播光具有較少損耗。因此，例如，可以利用光子晶體光波導(dǎo)作為色散補償元件或者光延遲元件。
入射側(cè)相位調(diào)制部分可以是具有與纖芯折射率周期相適應(yīng)的折射率周期的相位光柵。
入射側(cè)相位調(diào)制部分可以具有與纖芯結(jié)構(gòu)相同的相位光柵，并與纖芯具有相同的折射率周期。
最好通過將纖芯入射面?zhèn)雀浇哪┒瞬糠智邢露糸_入射側(cè)相位調(diào)制部分。這樣，可以容易地制造該入射側(cè)相位調(diào)制部分。
并且，該纖芯可以允許與來自調(diào)相后被傳導(dǎo)光的最低階的第二耦合光子能帶相聯(lián)的波傳播。
此外，該光子晶體光波導(dǎo)最好還包括出射側(cè)相位調(diào)制部分，其設(shè)置為很靠近或者接觸到被傳導(dǎo)光出射的纖芯出射面。這樣，從該纖芯出射的光能夠變?yōu)槠矫娌ā?br> 此外，出射側(cè)相位調(diào)制部分可以具有將從纖芯出射面出射的光轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌ǖ慕Y(jié)構(gòu)。
出射側(cè)相位調(diào)制部分可以是具有與纖芯折射率周期相適應(yīng)的折射率周期的相位光柵。
出射側(cè)相位調(diào)制部分可以是與纖芯結(jié)構(gòu)相同的相位光柵，并與纖芯具有相同的折射率周期。
出射側(cè)相位調(diào)制部分最好是通過切下纖芯出射面?zhèn)雀浇哪┒瞬糠侄糸_的一部分。這樣，可以容易地制造該出射側(cè)相位調(diào)制部分。
同樣，由光子晶體制造的包層最好在至少一個與被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性的折射率，并且在被傳導(dǎo)光傳播方向上具有統(tǒng)一的折射率。這樣，即使當(dāng)纖芯的有效折射率較低的時候也能夠防止光從纖芯泄漏。
該纖芯可以包括具有非線性光學(xué)效應(yīng)的活性材料。這樣，有可能提供一種具有較大非線性光學(xué)效應(yīng)的光學(xué)元件。
該纖芯可以由在一個或者兩個與被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性折射率并在被傳導(dǎo)光傳播方向上具有均勻折射率的多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
該光學(xué)波導(dǎo)部分最好具有截面基本為圓形的纖維形狀，并且纖芯為其周圍形成有包層的纖維形狀，并且纖芯和包層在被傳播光的傳播方向上具有統(tǒng)一的折射率。這樣，例如，就有可能提供一種纖維形狀的色散補償元件或者光學(xué)延遲元件。
纖芯和包層的折射率周期可以是關(guān)于光波導(dǎo)部分中與被傳導(dǎo)光的傳播方向平行的中心軸對稱的。
該光波導(dǎo)部分最好包含截面基本為圓形的纖維形狀均勻材料，在均勻材料中沿著其縱向形成有大量的孔洞，形成的大量孔洞關(guān)于該光波導(dǎo)部分中心軸對稱，該中心軸平行于被傳導(dǎo)光的傳播方向。這樣，例如，就有可能提供一種纖維形狀的色散補償元件或者光學(xué)延遲元件。
部分或者全部的孔洞都可以填充有液體材料?？锥粗锌梢蕴畛浔┧釂误w作為液體材料，并用UV光從外部照射以聚合成丙烯酸聚合物。
該光波導(dǎo)部分的橫截面上的折射率可以周期性地變化并關(guān)于到光波導(dǎo)中心軸的距離形成同心圓，該中心軸與被傳導(dǎo)光的傳播方向平行。
以下是本發(fā)明實施例的詳細(xì)說明。
首先，說明在光子晶體中光的傳播。圖1為示出了一維光子晶體1的剖視圖。在圖1中，Z軸方向為光傳播的方向，Y軸方向是與光傳播方向垂直的方向。該一維光子晶體1只在Y軸方向具有折射率的周期性。更具體的說，在Y軸方向上，具有不同折射率的材料5a和材料5b互相交替地層疊，由此形成多層結(jié)構(gòu)5。在光傳播方向上(Z軸方向)的折射率是統(tǒng)一的。材料5a的厚度為tA，它的折射率為nA。類似地，材料5b的厚度為tB，它的折射率為nB。因此，利用這些彼此層疊的結(jié)構(gòu)，該光子晶體1具有了周期為“a”的多層結(jié)構(gòu)。此周期a為(tA+tB)。
在圖1中，該一維光子晶體1包括纖芯，和設(shè)置在其周圍作為包層的空氣(在該附圖中沒有示出)，因此構(gòu)成了一個光波導(dǎo)。真空中波長為λ0的平面波作為入射光2從作為纖芯的一維光子晶體1的一個側(cè)面1a入射，作為被傳導(dǎo)光4穿過一維光子晶體1的材料5a和材料5b傳播，并作為出射光3從與側(cè)面1a相對的側(cè)面1b出射。在這種情況下，在一維光子晶體1中，光的傳播方式可以通過計算和畫出光子能帶確定。例如，能帶計算的方法在“Photonic Crystals(光子晶體)”Princeton University Press(1995)以及Physical Review(物理學(xué)評論)vol.B 44，No.16，p8565，1991中有詳細(xì)描述。
利用上述的能帶計算，計算出圖1所示的一維光子晶體1的光子能帶。該計算是在假設(shè)Y軸方向(分層方向)的折射率周期結(jié)構(gòu)無限連續(xù)，并且各層在X軸和Z軸方向(層面延伸的方向)無限延伸的情況下進行的。
圖2為示出了圖1中一維光子晶體中的TE偏振光的光子能帶結(jié)構(gòu)的能帶圖。并且，圖3為示出了圖1中一維光子晶體中的TM偏振光的光子能帶結(jié)構(gòu)的能帶圖。應(yīng)該注意，材料5a的厚度tA和折射率nA以及材料5b的厚度tB和折射率nB具有以下注出的數(shù)值，其中厚度tA和tB用周期a(a＝tA+tB)表示。
nA＝1.44 tA＝0.5anB＝2.18 tB＝0.5a在周期a的多層結(jié)構(gòu)5中，材料5a和材料5b交替層疊，利用平面波方法對Z軸方向(對X軸方向相同)進行計算，得到從第一到第三能帶的計算結(jié)果，顯示在圖2和3中。此處，TE偏振光為電場指向X軸方向的偏振光，TM偏振光為磁場指向X軸方向的偏振光。
圖2和3的橫軸表示一維光子晶體1中Z軸方向的波矢量kz大小，縱軸表示歸一化頻率。歸一化頻率以ωa/2πc的形式給出，其中ω為入射光的角頻率，a為多層結(jié)構(gòu)5的周期，且c為真空中的光速。歸一化頻率可以利用入射光2在真空中的波長λ0表示為a/λ0。下面，歸一化頻率表示為a/λ0，在圖2和3中也用這種方式表示。一維光子晶體1在Z軸方向不具有折射率周期而是具有統(tǒng)一的折射率，使得圖2和3的橫軸可以無限擴展而沒有布里淵區(qū)域邊界(Brillouin zoneboundary)。
圖1中，如果入射光線2的真空波長為λA，則在一維光子晶體1中有相應(yīng)于最低階第一能帶的波矢量kA1。換句話說，被傳導(dǎo)光4為波長λA1＝2π/kA1的波，穿過光子晶體光波導(dǎo)1在Z軸方向上傳播。下面被傳導(dǎo)光4在這種情況下被稱為“第一能級傳播光”。
現(xiàn)在，如果真空波長為λB的入射光2入射到一維光子晶體1上，則有相應(yīng)于第一和第三能帶的波矢量kB1和kB3。應(yīng)該注意，第二能帶關(guān)于在Z軸方向的傳播是“非耦合的”，使其可以忽略。因而，波長為λB1＝2π/kB1的第一能級傳播光的波和波長為λB3＝2π/kB3的第三能級傳播光的波，在Z軸方向穿過一維光子晶體1傳播。不是最低階能帶(第一能帶)的耦合能帶的光，例如圖2中的第三能帶光，在下面一般稱為“在較高階能帶傳播的光”。一般地，第二能帶和第三能帶中的一個是耦合的，另一個是非耦合的，并且第一能帶是耦合的。非耦合能帶理論的詳細(xì)解釋可以在K.Sakoda的“Optical Properties of PhotonicCrystals(光子晶體的光學(xué)特性)”，Springer-Verlag(2001)中找到。
前面是參照圖2對于TE偏振光的說明，但是，如從圖3所看到的，對于TM偏振光，該關(guān)系與對于TE偏振光的關(guān)系相似，使得省略了進一步的說明。
這里，通過將真空中的光波長(λA，λB等)除以在一維光子晶體中相應(yīng)的波長(λA1，λB3等)得到的數(shù)值定義為“有效折射率”。正如從圖2和圖3中可以看到的，第一能帶光的歸一化頻率a/λ0(縱軸)和kz(橫軸)基本上成比例，使得有效折射率基本不會關(guān)于入射光的真空波長變化而變化。然而，對于在較高階能帶上傳播的光，有效折射率的變化相當(dāng)程度上依賴入射光的真空波長，并且有效折射率可能降到低于1，如從圖2和3可以看清。
眾所周知，在圖2和3中示出的能帶圖中，能帶曲線對kz求導(dǎo)(即能帶曲線的切線斜率)所獲得的值為被傳導(dǎo)光4的群速度。對于第二和更高階的較高階能帶，當(dāng)kz值變小時，切線的斜率快速變小，并且在kz＝0處，切線的斜率變?yōu)榱?。這是由于群速度異常造成的，是光子晶體中的一種特征現(xiàn)象。光子晶體中的群速度異常非常大，并且導(dǎo)致了與普通均勻材料相反的色散。這就是說，在光子晶體中，隨著入射光波長的增大，群速度減小。因而，如果利用在較高階能帶上傳播的光的光波導(dǎo)或者光纖使用光子晶體制造，則它可以在光通信中作為一種光延遲元件或者色散補償元件使用。
圖4為示出了光子晶體光波導(dǎo)17的結(jié)構(gòu)的透視圖，光子晶體波導(dǎo)是一個使用了一維光子晶體15的光波導(dǎo)元件。該一維光子晶體15置于襯底14上，使均勻光波導(dǎo)16置于其兩端，并且該一維光子晶體15被這些均勻光波導(dǎo)16夾在中間。該一維光子晶體15作為纖芯，而通過空氣和襯底14提供包層。在圖4中示出的光子晶體光波導(dǎo)17是用一維光子晶體15構(gòu)成的光波導(dǎo)元件。應(yīng)該注意，在圖4中，光傳播的方向為Z軸方向。
入射光12入射到光子晶體光波導(dǎo)17的一端。該入射光12耦合進入均勻光波導(dǎo)16，并從均勻光波導(dǎo)16耦合進入一維光子晶體15，光在縱向(Z軸方向)傳播，并作為發(fā)射光13從光子晶體光波導(dǎo)17的另一端出射。當(dāng)該光是較高階能帶傳播光時，則在該一維光子晶體15中該較高階能帶傳播光會發(fā)生群速度異常。因此，例如，該光子晶體光波導(dǎo)17可以作為一個光學(xué)延遲元件使用。
圖5為示出了使用二維光子晶體的光纖21的結(jié)構(gòu)的透視圖。該光纖21為圓柱形狀，光在其軸向傳播。該光纖21設(shè)置有纖芯22和形成在纖芯22周圍的包層23。該纖芯22是在光的傳播方向上(Z軸方向)具有統(tǒng)一折射率，并在X軸和Y軸方向上具有周期性折射率的二維光子晶體。該包層23不是用光子晶體，而是用普通均勻材料制造。在具有這種結(jié)構(gòu)的光子晶體21中，對于在折射率統(tǒng)一的二維光子晶體纖芯22中的方向上傳播的光，給出了與對于上述一維光子晶體的類似能帶圖。因此，如果例如較高階能帶傳播光穿過由此二維光子晶體構(gòu)成的纖芯22傳播，則該光纖21可以用于獲得強色散補償效應(yīng)的光纖。
然而，當(dāng)將如圖4和5所示的采用光子晶體光波導(dǎo)17或者光纖21作為較高階能帶傳播光的光波導(dǎo)或者光纖使用的時候，存在一些問題。從圖2和3中清楚的看到，如果較高階能帶傳播光傳播，第一能帶傳播光也總是在傳播。當(dāng)試圖利用較高階能帶傳播光時，該第一能帶傳播光導(dǎo)致能量的損耗，并導(dǎo)致了入射光利用效率的明顯下降。并且，該第一能帶傳播光與在較高階能帶上傳播的光相比，具有不同的群速度，使得存在信號經(jīng)受較大波長色散的問題。
并且，在圖1中，在光從一維光子晶體1出射的端面1b上露出在Y軸方向和X軸方向具有周期性的折射率結(jié)構(gòu)。因而，較高階能帶傳播光自身在強度和相位上也是周期性的，使得發(fā)射光3混合了不同階和方向的衍射光。結(jié)果，發(fā)射光3難以控制。
此外，當(dāng)較高階能帶傳播光的有效折射率變?yōu)榈陀诮佑|一維光子晶體1的周圍介質(zhì)(包層)的折射率的時候，則被傳導(dǎo)光4泄漏到包層中。因此，光不能在該一維光子晶體1的纖芯中傳導(dǎo)。尤其是當(dāng)較高階能帶傳播光的有效折射率小于1時，即使當(dāng)包層為空氣時，也存在無法阻止的光泄漏問題。
圖6和7示出了當(dāng)平面波從圖1中的一維光子晶體1的端面1a入射纖芯的情況下，被傳導(dǎo)光4在一維光子晶體1中Z軸方向上的電場強度。圖6為示出了在圖1中顯示的光子晶體1中Z軸方向上第一能帶傳播光的電場強度的示意圖。圖7為示出了在圖1中顯示的光子晶體1中Z軸方向上較高階能帶傳播光的電場強度的示意圖。該光的電場強度用波的形式描述。該電場的波峰4a表示為實線，該電場的波谷4b表示為虛線。并且，通過這些線的粗度表示出幅度大小，越粗的線代表越大的幅度。應(yīng)該注意，該被傳導(dǎo)光的波長為λ。
如圖6所示，盡管第一能帶傳播光在材料5a中的電場幅度與在材料5a中的電場幅度不同，但是電場的波峰4a和波谷4b形成垂直于Z軸方向的平面，從而獲得近似于平面波的傳播。
通過比較，在較高階能帶傳播光中，在材料5a和材料5b邊界附近出現(xiàn)的“節(jié)點4c”處的電場強度變?yōu)榱?，如圖7中所示。因此，將由相鄰的材料5a和材料5b構(gòu)成的分層結(jié)構(gòu)的周期分為兩個具有波峰和波谷的區(qū)域。因為在相鄰區(qū)域(材料5a和材料5b)的波有半波長的相移，因此波峰和波谷并不同步。在第二和第三能帶中，每個周期出現(xiàn)兩個節(jié)點4c。對于在較高階能帶的被傳導(dǎo)光，每個周期的節(jié)點數(shù)甚至增加更多，并且每個周期發(fā)生多次的半波長相移。
結(jié)果，對于在有多個能帶起作用的某一波長的入射光，其中有多個傳播光模式發(fā)生重疊并形成復(fù)雜的電場形式。例如，隨著如圖2中所示的具有真空波長λB的入射光有第一能帶和第三能帶的傳播光，使得該光子晶體中有著多種傳播光模式。因此，產(chǎn)生了復(fù)合傳播形式(complex propagation pattern)。
然而，發(fā)明人的研究表明，在經(jīng)過相位調(diào)制的入射光耦合進入在被傳導(dǎo)光的傳播方向上具有光子能帶的光子晶體中時，則有可能僅傳播某些較高階能帶傳播光。根據(jù)本發(fā)明的實施例的光子晶體光波導(dǎo)利用了這一點。
下面是參照附圖對根據(jù)本發(fā)明的實施例的光子晶體光波導(dǎo)的說明。圖8為示出了根據(jù)本實施例的光子晶體光波導(dǎo)10的結(jié)構(gòu)的剖視圖。如圖8所示，該光子晶體光波導(dǎo)10設(shè)置有光波導(dǎo)部分和作為相位調(diào)制部分的相位光柵6。該光波導(dǎo)部分包括纖芯和包層。纖芯由僅在Y軸方向上具有周期性折射率結(jié)構(gòu)的一維光子晶體1組成。包層由纖芯周圍的空氣組成。在圖8中，包層為在作為纖芯的一維光子晶體1周圍的空氣，所以在附圖中沒有示出。應(yīng)該注意，該包層并不一定是空氣，并且也可能采用一種合適的材料作為包層，并把它設(shè)置在該一維光子晶體1周圍。
該一維光子晶體1和圖1中所示的相同。也就是說，它具有多層結(jié)構(gòu)5，在其中的Y軸方向上交替層疊具有不同折射率的材料5a和材料5b。在作為光傳播方向上的Z軸方向上，折射率是統(tǒng)一的。該多層結(jié)構(gòu)5的周期“a”為材料5a的厚度和材料5b的厚度的總和。此外，一維光子晶體在被傳導(dǎo)光傳播方向(Z軸方向)具有光子能帶。應(yīng)該注意，在下面的圖中，Z軸方向為光的傳播方向，Y軸為該一維光子晶體的分層方向。
相位光柵6設(shè)置為靠近或者接觸到該一維光子晶體1的光線入射的端面。例如，在該相位光柵6和該一維光子晶體1之間也可能形成有間隔18。
圖9為示意性地示出了在本實施例的光子晶體光波導(dǎo)10中的被傳導(dǎo)光在Z軸方向的電場強度的圖示。在圖9中，光的電場強度用波的形式描述，該電場的波峰4a表示為實線，而該電場的波谷4b表示為虛線。并且，通過這些線的粗度表示出幅度大小，越粗的線代表越大的幅度。
相位光柵6在入射光(平面波)上的作用是在Y軸方向周期a中造成了半波長的差別。當(dāng)平面波入射光7入射到相位光柵6上，則電場形式與圖7中所示的在一維光子晶體中的較高階能帶傳播光在間隔18中所形成的類似。發(fā)明人通過模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)具有此電場形式的光8從一維光子晶體1的端面入射并在一維光子晶體1中透射，則沒有光在第一能帶上傳播，并且只有較高階能帶傳播光在傳播。因此，在一維光子晶體1中傳播的波，全部或者超過一半的能量與較高階光子能帶有關(guān)。
這意味著，如果有和光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)具有同樣方向同樣周期、經(jīng)過適當(dāng)相位調(diào)制的波耦合進入該光子晶體，則可以獲得只在特定能帶上傳播的波。
相位光柵6作為相位調(diào)制部分使用，并且下面是對于相位調(diào)制部分的參數(shù)的更加詳細(xì)的說明。
最簡單的相位調(diào)制器是和由一維光子晶體1組成的纖芯的周期性多層膜具有相同周期的相位光柵。如圖8中所示，該相位光柵6可以由具有不同折射率的材料5c和材料5d周期性的交替層疊構(gòu)成。發(fā)明人通過模擬發(fā)現(xiàn)最好對該相位光柵6進行優(yōu)化。
例如，最好要優(yōu)化圖8中的材料5c和材料5d在Y軸方向上的厚度tC和tD，相位光柵6在光傳播方向(Z軸方向)上的長度L，間隔18在Z軸方向上的厚度G，以及間隔18的折射率nG。對于這些優(yōu)化來說，例如，最好是調(diào)整材料5a和材料5b之間厚度tA和tB的比率，這些是一維光子晶體1的多層結(jié)構(gòu)5的特性，或者調(diào)整材料5a和材料5b的折射率的比率。最好使得相位光柵6和一維光子晶體1的周期同步。更具體的說，最好滿足條件tA+tB＝tC+tD并且在材料5a和材料5c在Y軸方向上的中心和材料5b和材料5d在Y軸方向上的中心分別相稱。因此，使得相位光柵6和一維光子晶體1的周期同步以相同。
最好還要選擇在相位光柵6和一維光子晶體1之間間隔18的厚度以在合適的范圍內(nèi)，因為它可以影響被傳導(dǎo)光。
并且，如果多層結(jié)構(gòu)5的周期a(＝tA+tB)不大于入射光7的真空波長λ0，并且采用空氣層作為兩者之間間隙中的間隔18，則由于相位光柵6的±1階衍射光不能傳播并且反射光增加。防止它的一個方法是用較大折射率的介質(zhì)填充間隔18，以增加間隔18的折射率。更具體的說，應(yīng)該將具有折射率nG的介質(zhì)填充到間隔18中，其中nG由下式給出λ0/nG＜a這里，如果給定條件λ0/nG＜a，則間隔18的厚度G最好不超過在介質(zhì)中波長(λ0/nG)的五倍。當(dāng)G的厚度太大，則+1階衍射光和-1階衍射光距離其他衍射光太遠(yuǎn)，并且有干擾波(interference wave)形成的部分會減小。
即使當(dāng)給定條件λ0/nG＜a時，如果間隔18的厚度G幾乎為零(λ0/nG的十分之一或者更小)，則可能會出現(xiàn)耦合倏逝波的情況。
也可能通過切割在入射側(cè)的端面1a附近的一維光子晶體1而形成相位光柵6，并將其從一維光子晶體1上分開。因此，通過這種在一維光子晶體1和相位光柵6之間切割而形成的刻槽成為間隔18。這種情況下，調(diào)整切割部分的厚度(相位光柵6的厚度L)以及刻槽的寬度(間隔18的寬度G)，可以確保只有某些較高階能帶傳播光被傳播。不用說，刻槽可以是空氣層，或者可以用均勻介質(zhì)填充。
此外，圖10為示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實施例的光子晶體光波導(dǎo)20電場的示意圖。圖10示出了圖9中的光子晶體光波導(dǎo)10的結(jié)構(gòu)，其中與上述設(shè)置在入射側(cè)端面處的相位光柵6類似的相位光柵6b作為相位調(diào)制部分，設(shè)置為靠近或者接觸到一維光子晶體1的出射側(cè)。在該相位光柵6b和該一維光子晶體1之間形成有間隔。因此，與特定能帶相關(guān)的從一維光子晶體1出射的出射光8b被轉(zhuǎn)化成為平面波9。這就是說，與特定能帶相關(guān)的從一維光子晶體1出射的出射光8b，在入射到相位光柵6b上時被轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌?。?yīng)該注意，在圖10中，只示出了電場的波峰4a部分。相位光柵6b的結(jié)構(gòu)最好是類似于圖8中的相位光柵6的結(jié)構(gòu)，并且在光子晶體1和相位光柵6b之間的間隔最好也按照和圖8中的間隔18的類似情況設(shè)置。
通過采用具有如圖5所示的二維光子晶體作為光波導(dǎo)部分和在兩端都設(shè)置了如相位光柵的相位調(diào)制部分的光纖21，可以獲得如使用上述光子晶體光波導(dǎo)類似的效果。這種情況下，相位光柵也應(yīng)該具有二維結(jié)構(gòu)，類似于作為光波導(dǎo)部分的光纖21。因此，可以實現(xiàn)只有特定較高階能帶傳播光的傳播，和使用一維光子晶體類似。
同樣在這種情況下，當(dāng)較高階能帶傳播光的有效折射率變?yōu)榈陀谛纬稍诶w芯22周圍的包層23的折射率的時候，則被傳導(dǎo)光4可能由于折射而從纖芯22泄漏。尤其是當(dāng)較高階能帶傳播光的有效折射率不大于1時，當(dāng)包層為空氣時不可能防止光泄漏的問題。
為了防止由于有效折射率降低而使被傳導(dǎo)光從纖芯泄漏，并為了把被傳導(dǎo)光約束在纖芯中，例如圖11所示，最好設(shè)置反射層32，諸如金屬膜，作為由光子晶體組成的纖芯周圍的包層。圖11為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的光子晶體光波導(dǎo)30的剖視圖。圖11中的該光子晶體光波導(dǎo)30設(shè)置有由如圖1所示的一維光子晶體1組成的纖芯，以及設(shè)置在兩端面并由間隔38與纖芯隔開的相位光柵36。由金屬膜等構(gòu)成的反射層32，作為包層與一維光子晶體1接觸形成，并將其夾在中間。利用這樣的結(jié)構(gòu)，從作為纖芯的一維光子晶體1泄漏的光由反射層32反射，并被約束在作為纖芯的一維光子晶體1中。
然而，當(dāng)將反射層32作為包層使用時，可能會引起問題，諸如作為多層結(jié)構(gòu)的光子晶體光波導(dǎo)30的強度降低，或者由于反射層32反射率不足引起的衰減。圖12為根據(jù)本發(fā)明另一實施例的光子晶體光波導(dǎo)40的剖視圖。圖12中所示的光子晶體光波導(dǎo)40與圖11所示的光子晶體光波導(dǎo)30的不同在于，不是使用反射膜而是光子晶體11作為包層。如圖12所示，光子晶體光波導(dǎo)40具有用作包層的光子晶體11，替代了反射膜，其中用作包層的光子晶體具有周期性折射率。作為包層的該光子晶體11在至少一個與被傳導(dǎo)光的傳播方向(Z軸方向)垂直的方向上具有周期性折射率，并在被傳導(dǎo)光傳播的方向上具有統(tǒng)一的折射率。應(yīng)該注意，作為包層的該光子晶體11的結(jié)構(gòu)與作為纖芯的一維光子晶體1的結(jié)構(gòu)不同，并且折射率周期也不同。因此，將作為包層的該光子晶體11的光子能帶間隙設(shè)置到與作為纖芯的一維光子晶體1的傳播光的Z軸方向波矢量kz相應(yīng)的位置。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)將被傳導(dǎo)光約束在一維光子晶體中。
下面是對于用光子晶體11作為包層的情形中的優(yōu)選條件的說明。圖13A和13B為當(dāng)中有兩種厚度相同的不同材料交替層疊的一維光子晶體的能帶圖。這兩種材料的折射率分別是1.00和1.44。圖13A中的多層結(jié)構(gòu)的周期設(shè)為a，圖13B中的兩種多層結(jié)構(gòu)的周期設(shè)為a’＝0.434a。圖13A和13B都是按照相同的比例二維顯示的。豎直方向?qū)?yīng)于Y軸方向，并在豎直方向上，在從中心開始的±π/a和±π/a′的范圍內(nèi)，逐個能帶地顯示了第一布里淵區(qū)。并且，水平方向?qū)?yīng)于Z軸方向(與X軸方向相同)，并且沒有布里淵區(qū)的邊界線，因為在此方向上折射率沒有周期性。進行計算的范圍顯示到圖的左邊和右邊，但是這個范圍并無特別意義。
在布里淵區(qū)內(nèi)的位置表示光子晶體內(nèi)的波矢量，并且輪廓線表示與特定的歸一化頻率a/λ0(或a′/λ0)相應(yīng)的能帶。順便提一下，上述的圖2和3僅是對這樣的能帶圖的一部分的一維表達(即對Z軸正向部分)。
圖13A用粗線示出了針對具有周期a的一維光子晶體對應(yīng)于波長λ0＝0.725a(a/λ0＝1.38)的能帶。此外，用虛箭頭41表示代表在Z軸方向的第一能帶傳播光的波矢量，而用箭頭42表示代表在Z軸方向的較高階能帶傳播光的波矢量。此外，圖13B用粗線示出了對應(yīng)于相同波長(λ0＝0.725a(a/λ0＝1.38))的能帶。
在圖13B中畫出了表示代表較高階能帶傳播光的波矢量的箭頭42大小的虛線43，以及表示代表第一能帶傳播光的波矢量的虛線箭頭41大小的虛線44。正如可以從這些圖中看到的，圖13B中沒有相應(yīng)的能帶。圖13B中，沒有對應(yīng)于圖13A中的較高階能帶傳播光的波矢量(對于Z分量情況一樣)的能帶。結(jié)果，在圖13A中所示的具有周期a的晶體中的較高階傳播能帶，在圖13中所示的具有周期a’的光子晶體中不存在。
因此，如圖12所示，可以采用具有周期a的一維光子晶體1作為纖芯，并在其兩側(cè)設(shè)置具有周期a’的光子晶體11作為包層，而構(gòu)成光波導(dǎo)部分。在這樣的光波導(dǎo)部分中，在周期為a的光子晶體中傳播的較高階能帶傳播光不會泄漏到周期為a’的光子晶體中。因此，有可能將光約束在由周期為a的光子晶體構(gòu)成的纖芯中并傳播。
被用作包層的光子晶體11的材料和結(jié)構(gòu)，可以與被用作纖芯的一維光子晶體1的不同。然而，從制造多層結(jié)構(gòu)的困難來看，兩者最好使用相同的材料，并且使作為包層使用的光子晶體11的折射率周期更小。不用說，需要通過能帶計算確定在纖芯中的波矢量在包層中不存在以后，才能設(shè)計光波導(dǎo)。
應(yīng)該注意，根據(jù)圖13A和13B，在圖13B中不存在相應(yīng)于第一能帶傳播光的能帶，使得在一維光子晶體1中也傳播第一能帶傳播光。然而，如果對包層的光子晶體11的周期a’或者多層膜的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，則可以造成第一能帶傳播光從作為纖芯的一維光子晶體1中泄漏，并且可以約束較高階能帶傳播光。通過能帶計算而設(shè)計這些條件，可以獲得在中途完全清除在第一能帶傳播的光的光子晶體光波導(dǎo)。
一般地，為了使用能帶圖確定約束能力，假設(shè)光子晶體具有無限的周期性結(jié)構(gòu)。因此，例如，如果實際上約束用的光子晶體只有三個周期，則約束能力可能會變得不夠，并且使被傳導(dǎo)光泄漏到外面。不用說，考慮到多層膜的成本以及耐用性和精度，并不希望提供不必要的大量周期。實際上，最好通過實驗或者通過電磁仿真確定所需要的最小的周期數(shù)。
目前所述的情況是關(guān)于約束一維光子晶體中的較高階能帶傳播光的。在二維光子晶體光纖的情況下，同樣可以通過用光子晶體作為包層包裹纖芯部分而實現(xiàn)約束。
圖14A和14B示意性地示出了作為多層結(jié)構(gòu)的二維光子晶體。圖14A和14B是在X軸方向和Y軸方向具有周期性，且在Z軸方向沒有周期性的二維光子晶體的例子。在圖14A中的光子晶體50a中，層疊有四類介質(zhì)51，52，53和54。在XY橫截面上顯示了這四類介質(zhì)51，52，53和54。圖14B中的光子晶體50b由三種介質(zhì)55，56和57組成。該光子晶體50b可以通過首先在Y軸方向上層疊兩種介質(zhì)55和56，然后在X軸方向上周期性地形成平行于YZ平面的凹槽而方便地制造。這種情況下，介質(zhì)57是空氣，但是也可能用不是空氣的其他介質(zhì)填充該凹槽。
通過采用這些光子晶體50a和50b用于纖芯、包層和相位光柵中的至少一個，也可以實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)。
以下是對本實施例需要滿足的條件的更詳細(xì)說明。
盡管在圖9中沒有示出，但是第四能帶或者更高的較高階能帶也顯示出了與第二和第三能帶類似的大的波長色散。然而，隨著傳播光能帶階數(shù)增高，在Y軸方向每周期存在的波的節(jié)點數(shù)隨之增加，使得相位調(diào)制的形式變得更加復(fù)雜。因此，最理想的是利用第二或者第三能帶作為較高階傳播能帶，其中在第二或第三能帶中每個周期有兩個節(jié)點。不用說，不可以利用“非耦合的”能帶，使得優(yōu)選能帶是從最低階數(shù)起的第二耦合能帶。如上面所解釋的，第一能帶是耦合的。
并且，在較高階傳播能帶上的傳播光中發(fā)生所謂的“光子晶體群速度異?！?，以使能夠預(yù)期有更大的非線性效應(yīng)。在本實施例中，基本沒有群速度異常的第一能帶光沒有占據(jù)能量，以使可以通過在多層膜或者光子晶體光纖的纖芯部分中包含非線性光學(xué)材料而獲得增大的光學(xué)非線性效應(yīng)。(參看Optical Fiber Communication2002/Conference and Exhibit Technical Digest(光纖通信2002/會議及展覽技術(shù)文摘)ThK4(p.468))例如，如圖4所示，在作為纖芯的一維光子晶體15中，在X軸方向和Y軸方向上的結(jié)構(gòu)有著很大的差異。因此，有效折射率和群速度隨著偏振方向而不同。這一點可以從圖2(TE偏振光)的特征和圖3(TM偏振光)特征的不同的事實中清楚地看出來。因此，在根據(jù)本實施例的光子晶體光波導(dǎo)中，最好在光路中插入校正雙折射元件，以消除光波導(dǎo)部分的偏振模式之間的差別。應(yīng)該注意，可以使用例如雙折射晶體，結(jié)構(gòu)雙折射元件(structural birefringent element)或者光子晶體作為雙折射元件。
對于在本實施例中使用的光子晶體材料而言，只要可以保證在所使用的波長范圍內(nèi)的透明度，就沒有特別的限制。對于一維情況，合適的材料有二氧化硅、氮化硅、硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮和氟化鎂，這些材料一般用于多層膜的材料并具有極好的耐用性和薄膜生產(chǎn)成本。利用這些材料，可以通過已知的方法容易地形成多層膜結(jié)構(gòu)，例如濺射、真空沉積、離子輔助沉積或者等離子CVD。在二維光子晶體光纖的情況下，最簡單的構(gòu)造是在石英光纖中設(shè)置有空氣孔洞。
隨著構(gòu)成光子晶體的材料之間的折射率比的變大，例如，波長色散也趨于增加。因此，最好由高折射率和低折射率的材料混合構(gòu)成光子晶體，對于應(yīng)用，這樣的特點是必需的。至于實際上可能使用的折射率比例，如果是折射率為1的空氣，作為低折射率材料使用，以及折射率為4.21的InSb，作為高折射率材料使用，則可以獲得大于4的折射率比。(參看“BISHOKOGAKU HANDBOOK”(MicroopticsHandbook(微光技術(shù)手冊))，p.224，Asakura Shoten，1995)當(dāng)組成光子晶體的材料的折射率比變小，則依賴于偏振方向的特性的差異就趨于減小，使得有利于組合具有小折射率比的材料以實現(xiàn)對偏振的非依賴性。然而，當(dāng)折射率比變得非常小時，則調(diào)制效應(yīng)會變?nèi)?，并且可能達不到預(yù)想的效果，因而最好確保折射率至少為1.2。
通過首先層疊多層膜和制造多層結(jié)構(gòu)，然后繼續(xù)進行涂敷抗蝕層，形成圖案，蝕刻和去除抗蝕層的一般步驟，可以形成用以將光波導(dǎo)部分和相位光柵部分隔開的間隔。圖8中顯示的凹槽部分(間隔18)可以用空氣填充，或者可以是真空。這樣，間隔18將有較低的折射率。也可以在間隔18中填充介質(zhì)。當(dāng)填充介質(zhì)到空間18時，可以使用有機樹脂，溶膠態(tài)玻璃，或者熔融半導(dǎo)體材料等。應(yīng)該注意，在將溶膠態(tài)玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)槟z后，通過加熱它，能夠變?yōu)橥该鞑ＡА?br> 通過選擇合適的材料，可以將本實施例的光子晶體光波導(dǎo)的對于通常使用的波長范圍大約為200nm到20μm的光使用，并獲得令人滿意的特性。并且，本實施例已經(jīng)針對光進行了說明，但是它不僅可以應(yīng)用于光，而且可以應(yīng)用于一般的電磁輻射。
應(yīng)該注意，如果將相位調(diào)制部分設(shè)置在光子晶體的出射端，對于在光子晶體和相位調(diào)制部分之間的間隔也是一樣的。
圖15為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光子晶體光波導(dǎo)的透視圖。
光子晶體光波導(dǎo)69具有襯底61，設(shè)置在襯底61上作為纖芯的一維光子晶體66，以及設(shè)置在一維光子晶體66入射側(cè)和出射側(cè)上的端面處的相位光柵66a和相位光柵66b，在一維光子晶體66與相位光柵66a和相位光柵66b之間設(shè)置有間隔68a和間隔68b。應(yīng)該注意，實際上在該一維光子晶體66的上面和下面設(shè)置有金屬膜或者一維光子晶體的反射層(參看圖11或者圖12)，但是沒有在圖中示出。并且，在相位光柵66a的外側(cè)設(shè)置有均勻材料組成的均勻光波導(dǎo)67b。雙折射元件64和均勻光波導(dǎo)67b設(shè)置在相位光柵66b的外側(cè)。應(yīng)該注意到，將一維光子晶體66周圍的空氣作為包層使用。并且，相位光柵66a和相位光柵66b最初為一維光子晶體66的端部，并且是通過切割和分隔該一維光子晶體66的端部而制作的。
例如，該一維光子晶體66可以通過在襯底61的整個表面上形成周期性的多層膜，然后蝕刻掉除了線形部分之外所有的多層膜來制造。應(yīng)該注意到，該一維光子晶體66在光傳播的方向具有統(tǒng)一的折射率，并且在分層的方向具有周期性的折射率。
入射光62(信號光)從光纖等耦合進入均勻光波導(dǎo)67a。該信號光傳播通過均勻光波導(dǎo)67a，穿過相位光柵66a并被輸入一維光子晶體66。在相位光柵66a和一維光子晶體66之間形成有間隔68a。如上所述，信號光在穿過相位光柵66a后入射到作為纖芯的一維光子晶體66上，以使通過一維光子晶體66傳播的被傳導(dǎo)光只是較高階能帶傳播光。
通過一維光子晶體66傳播的較高階能帶傳播光，從該一維光子晶體66的出射面出射進入間隔68b，入射到相位光柵66b上，并被相位光柵66b再次轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌?。被轉(zhuǎn)化為平面波的光從相位光柵66b進入雙折射元件64，補償了由于偏振模式造成的相移，并且將光傳入均勻光波導(dǎo)67b。例如，然后，穿過均勻光波導(dǎo)67b后出射的出射光63耦合進入光纖。
如上面所提到的，較高階能帶傳播光的群速度根據(jù)入射光的波長而變化顯著，因而該光子晶體光波導(dǎo)69可以應(yīng)用于如色散補償元件或者光通信中的信號光的光延遲元件。并且，如上所提到的，具有較低群速度的被傳播光增加了非線性光學(xué)效應(yīng)。下面列舉了很多可以將其用作比常規(guī)元件具有大得多的非線性光學(xué)效應(yīng)的元件的方法。例如，通過將具有非線性光學(xué)效應(yīng)的材料的微粒摻雜在部分一維光子晶體66中，可以增加非線性光學(xué)效應(yīng)。更具體地，可以擴散微粒并利用量子點效應(yīng)。
作為另一種方法，利用在一維光子晶體66的每個周期上設(shè)置包括具有非線性光學(xué)效應(yīng)的物質(zhì)的薄膜層，可以增加非線性光學(xué)效應(yīng)。更具體地，可以利用溶膠-凝膠法制作薄膜層的至少一面，并且能夠使其包括一種有機顏料或者一種具有光折變性的有機物質(zhì)。
另一種用于增加非線性光學(xué)效應(yīng)的方法是通過采用具有非線性效應(yīng)的材料作為制造一維光子晶體66的材料。更具體地，該一維光子晶體的材料可能是具有大的非線性的物質(zhì)，如LiNbO3等。
圖16為示出了補償偏振相關(guān)相位差的光波導(dǎo)元件70的透視圖。圖16中使用了兩個在圖15中示出的光子晶體光波導(dǎo)69。該光子晶體波導(dǎo)69中的一個圍繞著光的傳播方向相對另一個旋轉(zhuǎn)了90°，并且和它相連。應(yīng)該注意，可以省略在設(shè)置在入射側(cè)(圖16中的左側(cè))的光子晶體光波導(dǎo)69的出射側(cè)的均勻波導(dǎo)以及在設(shè)置在出射側(cè)(圖16中的右側(cè))的光子晶體光波導(dǎo)69的入射側(cè)的均勻波導(dǎo)，如圖16所示。并且，在圖15中使用的雙折射元件也可以省略。這兩個一維光子晶體光波導(dǎo)69通過出射側(cè)的相位光柵66b和入射側(cè)相位光柵66a連接起來。
入射到光子晶體光波導(dǎo)69入射側(cè)上的平面波的TE偏振分量和TM偏振分量在波導(dǎo)中具有不同的群速度和波長，從而存在相位差、強度差、以及非線性效應(yīng)差異。然而，通過使波穿過與入射側(cè)光子晶體光波導(dǎo)69具有相同結(jié)構(gòu)和長度，并僅僅相對其旋轉(zhuǎn)了90°的出射側(cè)光子晶體光波導(dǎo)69，就消除了相位差、強度差、以及非線性效應(yīng)差異。因此，圖16中的光波導(dǎo)元件70沒有偏振相關(guān)的差異性。
例如，使用如圖14A和圖14B中所示的在Y軸方向和X軸方向都具有周期性的二維光子晶體，也有可能替代在圖15中示出的一維光子晶體66。在這種情況下，通過對結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以消除偏振模式相關(guān)的差異。不用說，在這種情況下，也可以通過切割作為纖芯的具有二維結(jié)構(gòu)的二維光子晶體制造相位光柵。
應(yīng)該注意，如圖14B所示，通過利用在多層膜的層上蝕刻的方法形成平行于Z軸方向的凹槽，可以容易地使該光子晶體成為二維的。
圖17為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一種光子晶體光纖的示意圖。
作為光子晶體光波導(dǎo)的光波導(dǎo)部分的光纖79，由具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)的纖芯71、以及形成在其周圍的包層72組成。應(yīng)該注意，折射率在光傳播的方向上是統(tǒng)一的。與纖芯71的周期相匹配的相位光柵76a和76b設(shè)置在光纖79的兩端。入射光(平面波，在圖中沒有示出)以較高階能帶傳播光的形式傳播通過纖芯71，并在出射側(cè)恢復(fù)成平面波。在兩側(cè)的光柵元件是相同的，以使得該光纖可以雙向使用。
應(yīng)該注意，纖芯71和包層72的折射率周期是關(guān)于光纖79的中心軸對稱的。這樣有著不產(chǎn)生偏振模式相關(guān)差異的優(yōu)點。
光纖79的包層72的光子晶體具有與纖芯71的光子晶體不同的周期和結(jié)構(gòu)，并具有通過光子能帶間隙將被傳導(dǎo)光限制在纖芯71中的作用。應(yīng)該注意，如果光子晶體制成的包層72的厚度能將光約束在纖芯71中就足夠了，并且不需要自始至終形成達到光纖79的外圓周的光子晶體。
光纖79所傳導(dǎo)的光為較高階能帶光，因而有比使用最低階能帶上的單模傳播的常規(guī)光纖具有大得多的群速度異常。因此，可以獲得強烈的色散補償效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)。
并且，纖芯71具有周期性結(jié)構(gòu)并且它的尺寸不受限制，從而可以容易地實現(xiàn)具有較大直徑的纖芯71，并且可以簡化光纖的連接。
圖18是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的同心圓光子晶體光纖89的示意圖。
光纖89在徑向具有周期性的折射率分布。光纖89由具有周期性，并具有與到中心軸的距離相關(guān)的同心圓折射率周期的二維光子晶體的纖芯81和包層82組成。應(yīng)該注意，在光傳播的方向上的折射率是統(tǒng)一的。與纖芯81的周期相匹配的相位光柵86a和86b設(shè)置在光纖89的兩端。入射光(圖中沒有示出)為平面波，以較高階能帶傳播光的形式傳播穿過纖芯81，并且在出射側(cè)又恢復(fù)為平面波。兩側(cè)的相位光柵86a和86b相同，因而入射方向和出射方向也可以反向。
包層82具有與纖芯81不同的折射率周期，并且通過光子能帶間隙起到了把被傳導(dǎo)光約束在纖芯81中的作用。
光纖89是關(guān)于光軸對稱的，因而存在著沒有偏振模式相關(guān)差異的優(yōu)點。由于群速度異常引起的效應(yīng)和對纖芯部分的尺寸沒有限制的情況與圖17中的光纖79相同。
利用在具有基本上為圓截面的纖維狀均勻材料中形成孔洞，并用均勻材料和空氣形成周期性折射率，同樣可以制作在圖17和18中的光纖79和89。應(yīng)該注意，應(yīng)該沿著纖維狀均勻材料的縱向形成大量的孔洞。該孔洞應(yīng)該平行于被傳導(dǎo)光?？梢赃M一步向所有的或者某些孔洞中填充流體物質(zhì)，以形成不同的折射率周期。例如，可能填充丙烯酸單體作為流體材料，從外部用紫外光照射，并使得丙烯酸單體聚合。
應(yīng)該注意，在前述的實施例中詳細(xì)顯示的結(jié)構(gòu)僅僅是例子，并且本發(fā)明不受這些特定例子的限制。例如，作為本實施例中光波導(dǎo)纖芯的光子晶體，在光傳播的方向上的折射率是統(tǒng)一的，并且在至少一個與傳播方向垂直的方向上具有周期性的折射率。此外，在被傳導(dǎo)光傳播的方向上也應(yīng)該有光子能帶。
工業(yè)應(yīng)用如上面所述，本發(fā)明可以廣泛地應(yīng)用于利用如色散補償以及由較高階能帶傳播光的群速度異常所引起的光學(xué)非線性效應(yīng)等效應(yīng)的光學(xué)元件中。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體光波導(dǎo)，包括一個光波導(dǎo)部分，具有用一種在至少一個與被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性折射率、并在被傳導(dǎo)光的傳播方向上具有統(tǒng)一折射率的結(jié)構(gòu)的光子晶體制造的纖芯，以及設(shè)置為接觸到該纖芯的一個包層，以將該被傳導(dǎo)光限定在該纖芯內(nèi)；以及設(shè)置為很靠近或者接觸到該纖芯的一個入射面的一個入射側(cè)相位調(diào)制部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中在該纖芯中的光的傳播方向上有一個光子能帶；其中該入射側(cè)相位調(diào)制部分對入射的被傳導(dǎo)光進行相位調(diào)制并使其傳播通過該光波導(dǎo)部分的纖芯；以及其中該纖芯以與所述光子能帶的較高階光子能帶相關(guān)的波的形式傳播該相位調(diào)制后的被傳導(dǎo)光全部或者至少一半的能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該入射側(cè)相位調(diào)制部分為一個相位光柵，其具有適應(yīng)于該纖芯的折射率周期的折射率周期。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該入射側(cè)相位調(diào)制部分為一個相位光柵，其具有與該纖芯相同的結(jié)構(gòu)，并具有與該纖芯相同的折射率周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該入射側(cè)相位調(diào)制部分為通過切割在該纖芯入射面?zhèn)榷瞬康泥徑糠侄桓糸_的部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該纖芯使與從該相位調(diào)制后被傳導(dǎo)光最低階的該第二耦合光子能帶相關(guān)的波傳播。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，還包括一個出射側(cè)相位調(diào)制部分，設(shè)置為很靠近或者接觸到該纖芯的該被傳導(dǎo)光出射的出射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該出射側(cè)相位調(diào)制部分將從該纖芯的該出射面出射的光轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€平面波。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該出射側(cè)相位調(diào)制部分為一個相位光柵，其具有適應(yīng)于該纖芯的折射率周期的折射率周期。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該出射側(cè)相位調(diào)制部分為一個相位光柵，其具有與該纖芯相同的結(jié)構(gòu)，并具有與該纖芯相同的折射率周期。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該出射側(cè)相位調(diào)制部分為通過切割在該纖芯出射面?zhèn)榷瞬康泥徑糠侄糸_的部分。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該包層用一種光子晶體制造，該光子晶體在至少一個與該被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性折射率并在該被傳導(dǎo)光的傳播方向上具有統(tǒng)一的折射率。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該纖芯包含一種具有非線性光學(xué)效應(yīng)的活性材料。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該纖芯由在一個或者兩個與該被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性折射率并在該被傳導(dǎo)光的傳播方向上具有統(tǒng)一折射率的多層膜層制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該光波導(dǎo)部分具有橫截面基本上為圓形的纖維形狀，并且該纖芯為纖維狀，在該纖芯周圍形成有該包層；并且其中該纖芯和該包層在該被傳導(dǎo)光傳播的方向上具有統(tǒng)一的折射率。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該纖芯和該包層的折射率周期是關(guān)于該光波導(dǎo)部分的中心軸對稱的，其中該中心軸與該被傳導(dǎo)光的傳播方向平行。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中該光波導(dǎo)部分包括具有基本為圓形橫截面的纖維狀均勻物質(zhì)，在該均勻物質(zhì)上沿著其縱向形成有大量孔洞，并且該大量孔洞關(guān)于該光波導(dǎo)部分的中心軸對稱地形成，其中該中心軸與該被傳導(dǎo)光的傳播方向平行。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中所有的或者部分該孔洞用流體物質(zhì)填充。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的光子晶體光波導(dǎo)，其中在該光波導(dǎo)部分橫截面上的折射率周期性地變化，并相對于到該光波導(dǎo)部分的中心軸的距離呈同心圓狀，其中該中心軸與該被傳導(dǎo)光的傳播方向平行。
全文摘要
一種光子晶體光波導(dǎo)，包括一個光波導(dǎo)部分，具有用一種在至少一個與被傳導(dǎo)光傳播方向垂直的方向上具有周期性折射率、并在被傳導(dǎo)光的傳播方向上具有統(tǒng)一折射率的光子晶體制造的纖芯；一個包層，設(shè)置為靠近或者接觸到該纖芯的一個入射面、用于將該被傳導(dǎo)光約束在纖芯中；以及一個入射側(cè)相位調(diào)制部分，設(shè)置為很靠近或者接觸到該纖芯的一個入射面。
文檔編號G02B6/122GK1668948SQ0381629
公開日2005年9月14日 申請日期2003年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月8日
發(fā)明者桔高重雄, 大家和晃, 奈良正俊, 常友啟司, 淺井貴弘 申請人:日本板硝子株式會社