專利名稱：一種基于光子晶體缺陷帶的te/tm模分離器的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種新型橫向電場(TE)/橫向磁場(TM)模分離器的設(shè)計方法，特別是一種基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，所述的模分離器方法在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷態(tài)來構(gòu)建，通過利用TE和TM缺陷帶隨電磁波入射角的變化特點來設(shè)計TE/TM模分離器，屬于光學(xué)器件系統(tǒng)和光通訊系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
TE/TM模分離器是相干光測量和光纖通訊系統(tǒng)波分復(fù)用技術(shù)中不依賴于偏振的波長濾波器的必不可少的部分，它的研制成功對于相干光的測量，尤其對于提高光纖通訊系統(tǒng)的容量有十分重要的意義。模分離器大體上分為兩類。一類是有源器件，它需要外加電壓來改變波導(dǎo)層的折射率，從而改變模傳播情況，實現(xiàn)模的分離，這樣不僅增加了エ藝難度，而且集成度也大大降低。另ー類是無源器件，這類器件按其結(jié)構(gòu)分為三種。第一種是交叉型，它的特點是作用區(qū)為交叉狀，結(jié)構(gòu)比較簡單，エ藝難度小，但是影響偏振串音的因素較多，所以要優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)比較困難。第二種是Y結(jié)型，它又分為有間隙和無間隙兩類，其特點是只有ー個入射端ロ，而出射端是兩個，エ藝難度不大，但往往偏振串音較大。第三種是指向耦合器型，這類器件是根據(jù)模間耦合原理設(shè)計的，可以達到很低的偏振串音，但エ藝難度大，不易制作。光子晶體(或光子禁帶材料)的概念，最初目的是想用特殊的結(jié)構(gòu)來抑制物質(zhì)的自發(fā)發(fā)射，就如電子在周期性勢場中的散射產(chǎn)生禁帶ー樣，光子在周期性介質(zhì)場中的散射也應(yīng)該產(chǎn)生禁帶。而在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷層來構(gòu)成光子晶體耦合微腔波導(dǎo)的結(jié)果已經(jīng)有很多發(fā)表的文章，如Opt. Lett. 24 (1999) 711證實了光子晶體耦合微腔波導(dǎo)的接近100%的光透過率，井能實現(xiàn)光子在任意形狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光彎曲，包括ZigZag波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Phys. Rev. B61 (2000)R11855)。并能實現(xiàn) 180 度的能量分離器等(Appl. Phys. Lett. 83(2003)3033)。但而在這些所有的工作中，他們并沒有嘗試利用耦合微腔波導(dǎo)中的缺陷帶去構(gòu)建TE/TM模分離器，而利用缺陷帶不同的波局域效果去構(gòu)建TE/TM模分離器將顯示出很有意義的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)?！N基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，通過在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷態(tài)，構(gòu)成耦合微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；通過控制電磁波的入射角實現(xiàn)TE/TM模式分離。所述的光子晶體結(jié)構(gòu)是由介電常數(shù)為I (空氣)和13 (例如硅)的介電材料來構(gòu)成；在其中周期性的引入N個缺陷層(N>10)來構(gòu)成耦合微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，缺陷層的介電常數(shù)可以在I至13之間改變，而歸一化厚度也可以在0. I至0.9之間改變。
所述的TE/TM模式分離的角度與缺陷層的介電常數(shù)相關(guān)，隨著缺陷層的介電常數(shù)的增大分離角度變小。所述的缺陷層的折射率大于4吋，入射角小于10度就可以實現(xiàn)TE/TM模式分離。隨著入射角度的不同，TE/TM模式缺陷帶的寬度和頻率位置會發(fā)生改變。所述的TE/TM模式分離器應(yīng)用于光學(xué)器件或光通訊系統(tǒng)。本發(fā)明通過在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷來構(gòu)成光子晶體耦合微腔波導(dǎo)，而由于缺陷帶中TE和TM模式不同的局域性效果，因此在合適的入射角情況下，這兩種模式的波會發(fā)生分離，并且分裂角度隨缺陷層介電常數(shù)的增加而降低，使得這兩種模式的分裂在電磁波入射角小于等于10度情況下就可以實現(xiàn)，因此很適合于用做TE/TM模式分離器的制備合適的制備。在物理電子學(xué)和光學(xué)、材料學(xué)和微電機系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，エ藝簡單，成本低廉，極具實用價值，值得推廣。


為了使本發(fā)明可以被更完全的理解，下面將參考附圖對其進行說明，其中圖I為耦合微腔波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意2為光子晶體的能帶圖，標注了 TE/TM缺陷帶的變化。介電常數(shù)分別為I和13的等厚度的介質(zhì)材料來構(gòu)成光子晶體，周期性的引入介電常數(shù)為6的缺陷層，歸ー化厚度
0.5。圖3為缺陷帶的頻率位置隨入射角的變化曲線。圖4為缺陷帶的寬度隨入射角的變化曲線(實線是橫向電場TE，虛線是橫向磁場TM)。圖5為TE/TM模式分裂角度的判斷曲線(缺陷層介電常數(shù)6)。圖6為10度入射角情況下的透射譜(實線是橫向電場TE，虛線是橫向磁場TM)。圖7為分裂角度隨缺陷層介電常數(shù)的變化曲線。圖8為缺陷層間周期數(shù)n分別為9，10和11的光子晶體耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)透射譜。圖9為應(yīng)用于光通訊波段1550nm的光子晶體耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)透射譜(實線是橫向電場TE，虛線是橫向磁場TM)。
具體實施例下面結(jié)合附圖與具體實施例對本發(fā)明作進ー步的說明。實施例I :為了說明TE/TM模分離器的設(shè)計方法，我們首先以ー維光子晶體為例來說明我們的設(shè)計過程。如圖I所示，這個ー維光子晶體是由介電常數(shù)為I (空氣)和13 (例如硅)的介電材料來構(gòu)成，它們的歸ー化厚度都是0. 5。在其中周期性的引入N個缺陷層來構(gòu)成耦合微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，缺陷層的介電常數(shù)可以在I至13之間改變，而歸一化厚度也可以在0. I至
0.9之間改變。我們這里首先選擇一中情況作詳細討論，如我們選擇缺陷層的介電常數(shù)位6，其歸一化厚度是0.5，而缺陷層的個數(shù)為N=10。前面的計算可以得到，這些缺陷態(tài)將在光子晶體的帶隙中形成缺陷帶。為了更詳細的展示缺陷帶的性質(zhì)，我們先從能帶圖進行詳細討論。如圖2所示是光子晶體結(jié)構(gòu)的能帶圖和缺陷帶，其中灰色區(qū)域是光子晶體的導(dǎo)通區(qū)，白色區(qū)域是光子晶體的帶隙，TE和TM模式分別畫在圖的右邊和左邊。通過透射曲線得到的缺陷帶的數(shù)據(jù)也列在了圖形中，用點加線來表示，其在光子晶體的帶隙中，井隨著電磁波入射角的増大而發(fā)生向高頻端的偏移，TE和TM模式的缺陷帶偏移量有差別，并且TM模式的缺陷帶有明顯的展寬現(xiàn)象。為了更詳細的討論缺陷帶的特性，在圖3中，我們列出了缺陷帶隨入射角的變化情況，可見TE/TM缺陷帶隨入射角的增加發(fā)生向高頻端移動的現(xiàn)象，但TM模式的移動量會更大。在圖4中顯示了 TE/TM缺陷帶的寬度隨入射角的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)TM缺陷帶隨入射角有明顯的展寬，而TE缺陷帶隨入射角卻減小。這些是由于TE和TM模在缺陷層中的局域效果不同引起的。TE模式的電場隨著入射角的增大會更加局域在缺陷層中，因此缺陷帶有縮小的趨勢。TM模式的電場隨著入射角的增大會更加彌散的分布在耦合微腔波導(dǎo)中，因此缺陷帶反倒有擴大的趨勢。而這些趨勢預(yù)示著TE和TM模式在一定的入射角情況下一定會分裂。而我們可以通過判斷TE/TM缺陷帶的中心位置和寬度的變化趨勢來定量的給出分裂角度。如圖5所示，AE代表TE和TM模式缺陷帶寬度的平均值，6 E代表TE 和TM模式缺陷帶中心頻率的間距，而兩個數(shù)值的交匯處就代表缺陷模式的分裂角度，由此圖可以判斷出此耦合微腔波導(dǎo)的TE/TM缺陷帶的最小分裂角度為8. 9。為了證明我們的判斷，我們計算了電磁波入射角度為10度時TE和TM模式的透射譜，為了現(xiàn)實的清楚，我們制作出了缺陷帶的結(jié)果，如圖6所示。TE和TM模式的缺陷帶明顯的分離開了，TM移向更高的頻率，并且展開的更寬。而透射率的差別現(xiàn)實出15個數(shù)量級的差別，因此由耦合微腔波導(dǎo)的TE/TM缺陷帶的性質(zhì)差異，能夠在較小的入射角度情況下實現(xiàn)TE/TM模式的高效分離。實施例ニ 更加詳細的說明缺陷層的參數(shù)對TE/TM模式分離器的影響，我們詳細討論了不同缺陷層的性質(zhì)當缺陷層的介電常數(shù)為I吋，類似于前面的討論過程，可以得到此耦合微腔波導(dǎo)的TE/TM缺陷帶的最小分裂角度為17. 4。當缺陷層的介電常數(shù)為13時，此耦合微腔波導(dǎo)的TE/TM缺陷帶的最小分裂角度為8. 4。簡單而言，低介電常數(shù)的缺陷層需要更大的入射角才能夠使得TE/TM缺陷帶分裂。這是由于低介電常數(shù)的缺陷層對電磁場的局域性較差，以至于TE模式的電磁場的局域性也隨著入射角的增加而降低，以此TE和TM模式的缺陷帶有相同的變化趨勢，如TE模式的缺陷帶也隨著入射角度的增加而向高頻率端移動，因此兩個模式的缺陷帶難以分離，分裂角度偏大。圖7系統(tǒng)的列出了在缺陷層不同介電常數(shù)的情況下，TE/TM缺陷帶分裂角度的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)隨著缺陷層介電常數(shù)的増加，在較小的入射角情況下，TE/TM兩個模式的缺陷帶也能分離。實施例三為了的更加完整的討論基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模式分離器的應(yīng)用，以及其特殊的帯狀分離效果，我們詳細研究了其物理特性，認為缺陷層間距對此結(jié)果影響很大，可以通過調(diào)整缺陷層間周期數(shù)n來實現(xiàn)平帶結(jié)構(gòu)的傳輸。如圖8所示是缺陷層間周期數(shù)n分別等于9，10和11數(shù)值的光子晶體耦合波導(dǎo)透射譜，可以發(fā)現(xiàn)缺陷層間周期數(shù)n=10將出現(xiàn)寬平帶結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶傳輸，這將在寬帶TE/TM模式分離器中凸現(xiàn)重要作用。而為了實用化，我們設(shè)計了基于光通訊波段1550nm波長的TE/TM模式分離器，如圖9所示，電磁波入射角10度，TE/TM模式實現(xiàn)了很好的分析效果。當入射光波長為1550nm吋，TM波的透射率接近100%，而TE模的透射率要低15個數(shù)量級以上。而當入射光波長為1551nm時，TE/TM模式的透射性質(zhì)正好反過來，TE波的透射率接近100%，而TM模的透射率要低15個數(shù)量級以上。以上通過實施例對本發(fā)明進行了詳細的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不 超出本發(fā)明的精神和實質(zhì)的范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出一定的修改和變形，如兩維或三維結(jié)構(gòu)的光子晶體耦合微腔波導(dǎo)，不同介電常數(shù)的材料等，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)TE/TM模分離器，不以本發(fā)明實施例所給的范圍為例。
權(quán)利要求
1.一種基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，其特征在于通過在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷態(tài)，構(gòu)成耦合微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；通過控制電磁波的入射角實現(xiàn)TE/TM模式分離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，其特征在于所述的光子晶體結(jié)構(gòu)是由介電常數(shù)為I和13的介電材料來構(gòu)成；在其中周期性的引入N>10個缺陷層來構(gòu)成耦合微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，缺陷層的介電常數(shù)可以在I至13之間改變，而歸ー化厚度也可以在0. I至0. 9之間改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，其特征在于所述的TE/TM模式分離的角度隨著缺陷層的介電常數(shù)的增大分離角度變小。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，其特征 在于所述的缺陷層的折射率大于4吋，入射角小于10度就可以實現(xiàn)TE/TM模式分離。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，其特征在于所述的TE/TM模式分離器應(yīng)用于光學(xué)器件或光通訊系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光子晶體缺陷帶的TE/TM模分離器的設(shè)計方法，通過在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷態(tài)，構(gòu)成耦合微腔波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；通過控制電磁波的入射角實現(xiàn)TE/TM模式分離。本發(fā)明通過在光子晶體結(jié)構(gòu)中周期性的引入缺陷來構(gòu)成光子晶體耦合微腔波導(dǎo)，而由于缺陷帶中TE和TM模式不同的局域性效果，因此在合適的入射角情況下，這兩種模式的波會發(fā)生分離，并且分裂角度隨缺陷層介電常數(shù)的增加而降低，使得這兩種模式的分裂在電磁波入射角小于等于10度情況下就可以實現(xiàn)，因此很適合于用做TE/TM模式分離器的制備合適的制備。在物理電子學(xué)和光學(xué)、材料學(xué)和微電機系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價值。
文檔編號G02B6/10GK102778728SQ20121023119
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者徐少輝, 王連衛(wèi) 申請人:華東師范大學(xué)