專利名稱：光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微小光學功率分配領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光子晶體技術(shù)的微小光學全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器。
背景技術(shù)：
光子晶體波導整數(shù)比功率分配器是光子晶體集成光路中不可缺少的光無源器件，是各種光電子集成元件中不可缺少的一部分。光子晶體波導整數(shù)比功率分配器可以理想地在輸出端按整數(shù)比例分配光能量，而且沒有明顯的反射和散射損失。盡管已有大量的光路結(jié)構(gòu)試圖解決固有折射率和波導特性導致的光能損失，但是很少能實現(xiàn)預期的效果。目前，大部分光子晶體整數(shù)比功率分配器都是在ー種偏振態(tài)(尤其是TE偏振態(tài))的基礎(chǔ)上設(shè)計的整數(shù)比功率分配器，有的需要添加多個介質(zhì)柱，有的是按幾何對稱進行平均分光，有的是利用長程耦合波導(導致結(jié)構(gòu)很大)。然而，無論是上面哪種形式的的光子晶體 整數(shù)比功率分配器，都不能實現(xiàn)同時對TE、TM混合光的按整數(shù)比例分配。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供ー種可以同時按同比例進行功率分配的光子晶體完全禁帶光整數(shù)比功率分配器。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。本發(fā)明的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器包括ー個具有完全禁帶的光子晶體中形成的光子晶體波導，所述的光子晶體由背景介質(zhì)柱陣列構(gòu)成；所述的光子晶體波導由ー個橫向波導和ー個與該橫向波導垂直相接的垂直波導構(gòu)成；所述橫向波導的一端為輸入端，其另一端為輸出端；所述的垂直波導為另ー輸出端；所述橫向波導的中部設(shè)置有波導缺陷介質(zhì)柱。所述波導缺陷介質(zhì)柱和背景介質(zhì)柱均為單軸晶體，所述波導缺陷介質(zhì)柱單軸晶體的正負性與背景介質(zhì)柱單軸晶體的正負性相反。所述光子晶體波導中的背景介質(zhì)柱單軸晶體和波導缺陷介質(zhì)柱單軸晶體的光軸分別平行于背景介質(zhì)柱的軸線和波導缺陷介質(zhì)柱的軸線。所述的橫向波導為光子晶體中移除I排或2排或3排或4排介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)；所述的垂直波導為光子晶體中移除I列或2列或3列或4列介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)。所述的刪除型點缺陷由橫向波導與垂直波導連接處的兩側(cè)波導壁各刪除ー個背景介質(zhì)柱構(gòu)成。所述的波導缺陷介質(zhì)柱數(shù)量為I根或多根。所述的光子晶體波導為碲介質(zhì)四方晶格ニ維光子晶體波導，或蜂窩結(jié)構(gòu)ニ維光子晶體波導，或孔狀三角晶格ニ維光子晶體波導，或其它非規(guī)則形狀ニ維光子晶體波導。所述功率整數(shù)比為l:m或m: I,其中m為正整數(shù)。所述光子晶體中的波導缺陷介質(zhì)柱的軸線與波的傳播方向垂直。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(I)實現(xiàn)了全偏振態(tài)功率整數(shù)比分配的功能；(2)結(jié)構(gòu)體積小,光傳輸效率高,適合大規(guī)模光路集成；(3)本發(fā)明在短程通過兩個點缺陷就可以完全實現(xiàn)全偏振態(tài)功率按整數(shù)比分配的功能，便于集成而且高效；(4)本發(fā)明應(yīng)用光子晶體可等比例縮放的特性，通過等比例改變晶格常數(shù)的方法，可以實現(xiàn)對不同波長的光波功率分配的功能。
圖I是本發(fā)明光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中入射波導I上端輸出波導2右端輸出波導3刪除型點缺陷4波導缺陷介 質(zhì)柱5背景介質(zhì)柱6圖2是TE波入射時，兩個通道的功率分配隨折射率的變化。圖3是TM波入射時，兩個通道的功率分配隨折射率的變化。圖4是本發(fā)明在兩個輸出端功率比為1:1吋，TE分量的模擬結(jié)果。其中Ey的方向為垂直于紙面向外。圖5是本發(fā)明在兩個輸出端功率比為1:1吋，TM分量的模擬結(jié)果。其中Hy的方向為垂直于紙面向外。圖6是TE模式下，上、右通道的功率值隨點缺陷折射率的變化。圖7是TM模式下，上、右通道的功率值隨點缺陷折射率的變化。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進ー步的詳細描述。如上述結(jié)構(gòu)所示，此結(jié)構(gòu)的功能是將從左方輸入端輸入進來的任何偏振態(tài)的波以整數(shù)比功率的形式從上方和右方端ロ輸出。圖I中的圖例4為刪除了一個介質(zhì)柱后的波導拐角，刪除的目的是允許更多能量引入上方端ロ，而同時減少圖I中的圖例5所示介質(zhì)柱的回波反射，使光能量的正反射部分大大減少。作為實施例，圖I中的圖例5所示的波導缺陷介質(zhì)柱5取為負單軸晶體，而背景介質(zhì)柱6取為正單軸晶體，通過分別調(diào)控平行紙面方向的介電常數(shù)和垂直紙面方向的介電常數(shù)，來控制各偏振態(tài)的光波按相同的強度進行功率分配?？紤]將輸入信號平均分，即按分光比1:1從上端口和右端ロ輸出光，為了滿足三端ロ瞬時耦合方程丄=丄+ 丄(I)
rI ‘2 τ3各個方向上的耦合壽命應(yīng)滿足，T1: τ2 τ 3=1:2:2(2)上式表明ー個有趣的現(xiàn)象，為使兩個輸出端ロ的強度為輸入信號的一半，必須要延長兩個輸出端ロ的稱合壽命τ 2，τ3，并且使它們壽命為τェ的兩倍；同時，為了使兩個輸出端的強度相等，必須滿足兩個端ロ的耦合壽命相等，即τ 2= τ 3。
為了得到合適的耦合壽命，我們假設(shè)耦合壽命是與結(jié)構(gòu)函數(shù)和光頻率相關(guān)的ー個函數(shù)?？梢詫懗鲴詈纤俾蕿?br>
Γ00361 r d(l(nK(m) + m^))da)
=Λ⑶= Vw+ + Vw_其中，πι+(ω)是ー個波導中的缺陷形態(tài)M的加速函數(shù)，πι_(ω)是其減速函數(shù)，并且πι+(ω)>πι_(ω), Ω為單個缺陷形態(tài)的幾何面積。最后可以得到ー個加速系數(shù)vm+和ー個減速系數(shù)vm-，即結(jié)構(gòu)M中的vm+加快耦合時間，為正值；vm_使減緩耦合時間，為負值。那么光波通過ー個結(jié)構(gòu)函數(shù)為Μ(ω)的缺陷時的耦合壽命為
I
Tm=L·_(4)
I m對于單個點缺陷的耦合壽命，我們可以簡化為Tm =-1^(5)
、in+其中Sm為歸ー化耦合面積。那么我們只要找到ー些缺陷結(jié)構(gòu)所具有的vm+和vm_特性，即可以得到所需的耦合壽命τΜ·首先，設(shè)晶格常數(shù)為a=l，點缺陷介質(zhì)柱的半徑為r=3. 2a。當輸入光波為入=4. Ia的單純TE波時，上通道和右通道的功率分配隨著缺陷介質(zhì)柱折射率n=l. 2 7. 2變化的分布情況如圖2所示。得到當折射率為n=l. 2738或2. 4402時，器件對TE波具有功率均分的效
果O接下來再研究TM模輸入時的情況。同樣地，結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為a=l，點缺陷介質(zhì)柱的半徑為r=3. 2a。當輸入光波為λ =4. Ia的單純TM波時，上端口和右端ロ的功率分配隨著點缺陷介質(zhì)柱折射率η=1. 2 · 2變化的分布如圖3所示?？梢杂^察到，當折射率為η=4. 7451或6. 7788時，器件對TM波具有功率均分的效果。綜合上述結(jié)果，可以設(shè)計出ー種負單軸晶體介質(zhì)柱。將約束TE波傳播的折射率設(shè)為Iie，將約束TM波傳播的折射率設(shè)為η。，通過將表I中的不同折射率參數(shù)組合可以得到不同的點缺陷，而這些點缺陷可以達到相同的效果，即實現(xiàn)與偏振無關(guān)的功率均分功能。表I
, ,,f 所需的A I 1.2738，2.4402 |
分光比 1:1 -—Τ-1-::—^--!-表I顯示，要實現(xiàn)I :1的功率分配比例，簡稱為分光比，單軸晶體的ne:n。共有四種允許組合。例如，可以選擇組合ne=2. 4402, n0=4. 7451 將該組合參數(shù)作為負單軸點缺陷，利用有限元方法進行模擬，模擬后的結(jié)果如圖4、圖5所示。模擬結(jié)果表明，在同一種點缺陷作用下，無論入射的是TE波還是TM波，其功率均可以被平均分配到兩個輸出端，實現(xiàn)了與偏振無關(guān)的功率均分功能。類似地，對于非1:1形式的整數(shù)輸出比，可以通過設(shè)置缺陷的不同尋常光和非尋常光折射率得到。對于TE波，如圖6所示，首先實線條代表所得到的比值是右側(cè)端ロ輸出功率比上方端ロ輸出功率的,可以發(fā)現(xiàn)允許存在的最大比值為4:1，每種比值都可以在曲線峰兩側(cè)找到相應(yīng)的折射率；而虛線條代表上方端ロ輸出功率比上右方端ロ輸出功率，可以發(fā)現(xiàn)允許存在的最大比值為14: I。兩種線條上對應(yīng)分光比小于5的整數(shù)比所要求的波導缺陷介質(zhì)柱的折射率值如下表2所示表 2
'
權(quán)利要求
1.ー種光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，包括ー個具有完全禁帶的光子晶體中形成的光子晶體波導，其特征在于所述的光子晶體由背景介質(zhì)柱陣列構(gòu)成；所述的光子晶體波導由ー個橫向波導和ー個與該橫向波導垂直相接的垂直波導構(gòu)成；所述橫向波導的一端為輸入端，其另一端為輸出端；所述的垂直波導為另ー輸出端；所述橫向波導的中部設(shè)置有波導缺陷介質(zhì)柱。
2.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述波導缺陷介質(zhì)柱和背景介質(zhì)柱均為單軸晶體，所述波導缺陷介質(zhì)柱單軸晶體的正負性與背景介質(zhì)柱單軸晶體的正負性相反。
3.按照權(quán)利要求2所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述光子晶體波導中的背景介質(zhì)柱單軸晶體和波導缺陷介質(zhì)柱單軸晶體的光軸分別平行于背景介質(zhì)柱的軸線和波導缺陷介質(zhì)柱的軸線。
4.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述的橫向波導為光子晶體中移除I排或2排或3排或4排介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)；所述的垂直波導為光子晶體中移除I列或2列或3列或4列介質(zhì)柱后的結(jié)構(gòu)。
5.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述的刪除型點缺陷由橫向波導與垂直波導連接處的兩側(cè)波導壁各刪除ー個背景介質(zhì)柱構(gòu)成。
6.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述的波導缺陷介質(zhì)柱數(shù)量為I根或多根。
7.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述的光子晶體波導為碲介質(zhì)四方晶格ニ維光子晶體波導，或蜂窩結(jié)構(gòu)ニ維光子晶體波導，或孔狀三角晶格ニ維光子晶體波導，或其它非規(guī)則形狀ニ維光子晶體波導。
8.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述功率整數(shù)比為l:m或m:l，其中m為正整數(shù)。
9.按照權(quán)利要求I所述的光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，其特征在于所述光子晶體中的波導缺陷介質(zhì)柱的軸線與波的傳播方向垂直。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體波導全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配器，它包括一個具有完全禁帶的光子晶體中形成的光子晶體波導，所述的光子晶體由背景介質(zhì)柱陣列構(gòu)成；所述的光子晶體波導由一個橫向波導和一個與該橫向波導垂直相接的垂直波導構(gòu)成；所述橫向波導的一端為輸入端，其另一端為輸出端；所述的垂直波導為另一輸出端；所述橫向波導的中部設(shè)置有波導缺陷介質(zhì)柱。本發(fā)明結(jié)構(gòu)體積小，光傳輸效率高，便于集成而且高效，適合大規(guī)模光路集成，可以實現(xiàn)全偏振態(tài)整數(shù)比功率分配的功能。
文檔編號G02B6/125GK102830463SQ20121031243
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月29日
發(fā)明者歐陽征標, 金鑫 申請人:深圳大學