一种基于完全禁带型光子晶体波导的X形交叉偏振光桥

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。

说明书

技术领域

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

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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o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。

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。

进一步地，所述的背景介质柱由碲介质柱阵列形成。

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。

附图说明

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。

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。

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)；

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)；

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)。

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

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。

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11、TM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。

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。

如图1所示，半径较大的圆表示背景碲介质柱，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，半径较小的圆表示圆 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。

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_o＝4.8,n_e＝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。碲介质的Sellmeier色散方程为：

n_e＝[29.5222+9.3068λ²(λ²-2.5766)^-1+9.2350λ²(λ²-13521)^-1]^1/2   (1)

n_o＝[18.5346+4.3289λ²(λ²-3.9810)^-1+3.7800λ²(λ²-11813)^-1]^1/2   (2)

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(ωa/2πc)，在该频段范围内的任何频率的电磁波将被限制在波导中。

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。

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竖直向上；z轴正方向为 垂直于纸面向外。

不同的偏振通道中，偏振选择缺陷的等效折射率为：

$n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TM}}=\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TM}},}{n}_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TM}}=\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TM}}};n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}=\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}},}{n}_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}=\sqrt{{ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}}---\left(3\right)$

其中和分别为TM通道中，TE波的等效折射率和等效介电常数；和为TM通道中，TM波的等效折射率和等效介电常数；和为TE 通道中，TE波的等效折射率和等效介电常数；和为TE通道中，TM 波的等效折射率和等效介电常数。并且(3)式中：

${ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TM}}=\frac{{\int }_{\Omega }{ϵ}_e{E}_z^2(x,y)\mathrm{d\Omega }}{{\int }_{\Omega }{E}_z^2(x,y)\mathrm{d\Omega }},{ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TM}}=\frac{{\int }_{\Omega }{ϵ}_o(E_x^2(x,y)+E_y^2(x,y))\mathrm{d\Omega }}{{\int }_{\Omega }(E_x^2(x,y)+E_y^2(x,y))\mathrm{d\Omega }},---\left(4\right)$

${ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}=\frac{{\int }_{\Omega }{ϵ}_o{E}_z^2(x,y)\mathrm{d\Omega }}{{\int }_{\Omega }{E}_z^2(x,y)\mathrm{d\Omega }},{ϵ}_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}=\frac{{\int }_{\Omega }({ϵ}_e{E}_1^2(x,y)+{ϵ}_o{E}_2^2(x,y))\mathrm{d\Omega }}{{\int }_{\Omega }(E_x^2(x,y)+E_y^2(x,y))\mathrm{d\Omega }},---\left(5\right)$

式中E_x，E_y，E_z分别为电场的x,y,z分量；E₁，E₂分别为电场平行和垂直 于偏振选择缺陷光轴的分量(即E₁为垂直于TE通道的电场分量，E₂为平行于 TE通道的电场分量)；Ω为偏振选择缺陷的横截面面积；ε_e和ε_o为碲介质e轴 和o轴的介电常数，也即ε_e＝n_e²,ε_o＝n_o²。

波导中的TE波和TM波在TE通道偏振选择缺陷处的反射率(R)与透射率(T) 可以表示为：

$R_{\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}={\left(\frac{n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}-1}{n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}+1}\right)}^2,T_{\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}=\frac{4n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}}{{(n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}+1)}^2}---\left(6\right)$

$R_{\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}={\left(\frac{n_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}-1}{n_{\mathrm{eff},\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}+1}\right)}^2,T_{\mathrm{TM}}^{\mathrm{TE}}=\frac{4n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}}{{(n_{\mathrm{eff},\mathrm{TE}}^{\mathrm{TE}}+1)}^2}---\left(7\right)$

其中，分别为TE波在TE通道中的反射率和透射率；分 别为TM波在TE通道中的反射率和透射率。在TE通道中，可以通过调节方形缺 陷介质柱的边长来确定符合且这两个条件的介 质柱边长，从而实现阻隔TM波，传输TE波的功能。

通过数值扫描计算得到，TE波具有消光比极大值时的方形缺陷介质柱的边 长为

d＝0.5711a   (8)

同理，在TM通道中，也可以通过调节圆形缺陷介质柱的半径来确定符合 且这两个条件的介质柱半径，从而实现阻隔TE 光，传输TM波的功能。

通过数值扫描计算得到，TM波具有消光比极大值时的圆形缺陷介质柱的半 径为

r＝0.165a   (9)

当在碲介质柱阵列波导中引入上述缺陷后，初始信号从图1中TE输入波导11 和TM输入波导12入射，TE输出波导13输出TE波，TM输出波导14输出TM波。在TE 通道中，由于TE选择缺陷的作用，TE波将全部通过，而所掺杂TM波将全部阻隔； 而在TM通道中，由于TM选择缺陷的作用，TM波将全部通过，而所掺杂TE波将全 部阻隔。最后TE波将从TE输出波导13输出；TM波将从TM输出波导14输出。同时， 在中心垂直交叉区域不同偏振态的电磁波不互相干扰；即共用中心区域形成X 形交叉而信号不互扰的偏振光桥。由于本结构具有偏振态选择的功能，即对不 同输入的信号具有以下不同的多种功能：

(1)、当TM输入波导12的入射波为TM波并掺杂少量TE波；TE输入波导11的入 射波为TE波并掺杂少量TM波时，TM输入波导12中的TM波经过偏振提纯后从TM输 出波导14导出；TE输入波导11中的TE波经过偏振提纯后从TE输出波导13导出。 并在X形交叉位置不产生互扰。

(2)、当TM输入波导12的入射波为高纯度TM波；TE输入波导11的入射波为高 纯度TE波时，TM输入波导12中的TM波经过TM通道后从TM输出波导14导出；TE输 入波导11中的TE波经过TE通道后从TE输出波导13导出。并在X形交叉位置不产生 互扰。从而实现光路交换移位。

(3)、当TM输入波导12和TE输入波导11的入射波为同时含有等幅度的TM和TE 分量的混合波时，TM输入波导12中TM分量将全部导入TM输出波导14；TE输入波 导11中TE分量将全部导入TE输出波导13。而其它不允许通过的偏振分量将被阻 隔。

(4)、当TM输入波导12和TE输入波导11的入射波都仅为TM波时，TM波从TM 输出波导14导出；而TE输出波导13无信号导出。

(5)、当TM输入波导12和TE输入波导11的入射波都仅为TE波时，TE波从TE 输出波导13导出；而TM输出波导14无信号导出。

(6)、当TM输入波导12和TE输入波导11的入射波分别是TE波和TM波时，任何 输出端口均无信号输出。

对于晶格常数a和工作波长λ的选取，可以用以下方式确定。通过单轴晶 体碲的折射率曲线知，在波长范围为3.5a～35a之间，碲具有比较稳定的折射率 (如考虑到色散，需要在所应用波段范围依照色散公式重新计算结构配置参数， 以达到最佳参数选择的目的)。通过公式

$f=\frac{\mathrm{wa}}{2\mathrm{\pi c}}=\frac{a}{\lambda }---\left(10\right)$

其中f为禁带频率，以及本发明实施例中正方晶格碲结构的的归一化禁带 频率范围

Δf＝0.2368～0.2569   (11)

计算出相应的禁带波长范围为：

λ＝3.893a～4.223a   (12)

由此可见在不考虑色散或材质色散变化很小的情况下，可以通过改变晶格 常数a的值得到与其等比例的满足波长范围的λ值。

波导中的消光比定义为：

TE波：

TM波：

偏振度定义为：

TE波：

TM波：

插入损耗定义为：

Insert Loss(dB)＝10×log₁₀(P_in/P_out).   (17) 式(13)-(17)中，I_TE和I_TM分别表示TE通道、TM通道中的光强，P_in和P_out分别表 示TE通道(或TM通道)输入端、输出端的能量大小。

通过图2可以发现，当工作波长为3.9933a-4.1137a时，TE波和TM波的消光 比全部大于35dB，并且可以观察到TE、TM波都具有近乎1的偏振度，同时插入损 耗都低于0.3dB，这说明本发明实施例在具有很高消光比与偏振度的同时，具有 极低的插入损耗，并且工作波长极宽。这是其它耦合腔模式偏振分光器件所不 具备的。

图3为自由空间工作波长为4.058a时，根据Sellmeier方程，碲介质的寻常光 折射率与非寻常光的折射率n_o与n_e如式(1)和(2)所述。通过有限元软件 COMSOL进行计算，得到的电场模拟图。可以观察到，TE及TM波分别高效地在 各自的通带传播，经过X形交叉光桥且相互不发生干扰。同时，在模拟实验图中 可以看到，横向和纵向光信号在交叉结点并不产生波形变化，极大的实现了信 号的保真特性。详见图3(c)、图3(d)。

其中图3(a)、图3(b)为实现上述功能(1)、(2)时的电场模拟实验图。 即TM输入波导12输入高纯度TM光信号，TE输入波导11输入高纯度TE光信号。图3 (a)为整个场的TM分量强度分布图，图3(b)为整个场的TE分量强度分布图。 可以观察到，无论是TE信号还是TM信号都经过本X形交叉光桥后几乎保持原有强 度而继续传播，同时在X形交叉部分不产生任何串扰。其中图3(c)为实现上述 功能(4)时的电场模拟实验图。即TM输入波导12、TE输入波导11同输入高纯度 TM波。从图中可以看到，TM波从TM输出波导14导出；而TE输出波导13无信号导 出。

其中图3(d)为实现上述功能(5)时的电场模拟实验图。即TE输入端口11、 TM输出端口12同输入高纯度TE波。从图中可以看到，TE波从TE输出波导13导出； 而TM输出波导14无信号导出。

同理，由图3实现的(1)、(2)、(4)、(5)四个功能的实验结果可很容易的 推论出功能(3)、(6)的模拟实验结果，在此不具体给出。

本发明实施例可以短程高效地定向导通TE、TM波信号，在X形交叉偏振光桥 的交叉位置不产生串扰。依据其偏振选择的特性可以在既有光桥架构上实现不 同的应用功能，具有极大的实用价值。本发明在具有高消光比的同时具有较宽 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，具有实用意义。

本发明实施例可以通过在基板上建立以正方晶格排列的正单轴晶体碲阵列， 在中心位置删除两行或三行的方式形成波导，使TE、TM波都能以基模形式传播。 光子晶体中的背景碲介质柱阵列中的每一个介质柱的e光光轴方向要满足与圆 柱体的轴线方向一致。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，可以选择不同的 工作波长。

比如，如果器件需要在5μm附近波段工作，假设不考虑工作波长调至5μm 导致的色散，则可以通过将晶格常数放大1.25倍，即a＝1.25μm。此时，禁带波 长范围变为4.866至5.279μm。器件的光桥特性将与图3展示的结果非常类似。 由于碲介质在3.5～35μm之间的色散趋于稳定，对归一化光子晶体禁带频率范围 影响不大，因此我们可以将5μm处实际的色散条件(即n_o＝4.8657与n_e＝6.315) 代入不考虑色散的放大结构中去。根据模拟实验，考虑色散后的数值仿真结果 完全符合原光桥既定的功能要求。

另外，基于X形交叉偏振光桥的结构，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，实现了光路交换移位功能。如 果交换输入信号的类型，通过交换缺陷的位置，同样也可实现光路交换移位功 能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。