一种基于光子晶体缺陷带的TE/TM模分离器的设计方法

摘要

本发明公开了一种基于光子晶体缺陷带的TE/TM模分离器的设计方法，通过在光子晶体结构中周期性的引入缺陷态，构成耦合微腔波导结构；通过控制电磁波的入射角实现TE/TM模式分离。本发明通过在光子晶体结构中周期性的引入缺陷来构成光子晶体耦合微腔波导，而由于缺陷带中TE和TM模式不同的局域性效果，因此在合适的入射角情况下，这两种模式的波会发生分离，并且分裂角度随缺陷层介电常数的增加而降低，使得这两种模式的分裂在电磁波入射角小于等于10度情况下就可以实现，因此很适合于用做TE/TM模式分离器的制备合适的制备。在物理电子学和光学、材料学和微电机系统等众多领域具有巨大的潜在应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型横向电场（TE）/横向磁场（TM）模分离器 的设计方法，特别是一种基于光子晶体缺陷带的TE/TM模分离器的设 计方法，所述的模分离器方法在光子晶体结构中周期性的引入缺陷态 来构建，通过利用TE和TM缺陷带随电磁波入射角的变化特点来设计 TE/TM模分离器，属于光学器件系统和光通讯系统技术领域。

背景技术

TE/TM模分离器是相干光测量和光纤通讯系统波分复用技术中 不依赖于偏振的波长滤波器的必不可少的部分，它的研制成功对于相 干光的测量，尤其对于提高光纤通讯系统的容量有十分重要的意义。

模分离器大体上分为两类。一类是有源器件，它需要外加电压 来改变波导层的折射率，从而改变模传播情况，实现模的分离，这 样不仅增加了工艺难度，而且集成度也大大降低。另一类是无源器件， 这类器件按其结构分为三种。第一种是交叉型，它的特点是作用区为 交叉状，结构比较简单，工艺难度小，但是影响偏振串音的因素较多， 所以要优化结构参数比较困难。第二种是Y结型，它又分为有间隙和 无间隙两类，其特点是只有一个入射端口，而出射端是两个，工艺难 度不大，但往往偏振串音较大。第三种是指向耦合器型，这类器件是 根据模间耦合原理设计的，可以达到很低的偏振串音，但工艺难度大， 不易制作。

光子晶体（或光子禁带材料）的概念，最初目的是想用特殊的结 构来抑制物质的自发发射，就如电子在周期性势场中的散射产生禁带 一样，光子在周期性介质场中的散射也应该产生禁带。而在光子晶体 结构中周期性的引入缺陷层来构成光子晶体耦合微腔波导的结 果已经有很多发表的文章，如Opt.Lett.24（1999）711证 实了光子晶体耦合微腔波导的接近100%的光透过率，并能实 现光子在任意形状波导结构中的光弯曲，包括ZigZag波导 结构（Phys.Rev.B61（2000）R11855）。并能实现180度的 能量分离器等（Appl.Phys.Lett.83（2003）3033）。但 而在这些所有的工作中，他们并没有尝试利用耦合微腔波导 中的缺陷带去构建TE/TM模分离器，而利用缺陷带不同的波 局域效果去构建TE/TM模分离器将显示出很有意义的工作。

发明内容

本发明的目的是为了提供基于光子晶体缺陷带的TE/TM模 分离器的设计方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

一种基于光子晶体缺陷带的TE/TM模分离器的设计方法，通过 在光子晶体结构中周期性的引入缺陷态，构成耦合微腔波导结构；通 过控制电磁波的入射角实现TE/TM模式分离。

所述的光子晶体结构是由介电常数为1（空气）和13（例如硅） 的介电材料来构成；在其中周期性的引入N个缺陷层（N>10）来构成 耦合微腔波导结构，缺陷层的介电常数可以在1至13之间改变，而 归一化厚度也可以在0.1至0.9之间改变。

所述的TE/TM模式分离的角度与缺陷层的介电常数相关，随着缺 陷层的介电常数的增大分离角度变小。

所述的缺陷层的折射率大于4时，入射角小于10度就可以实现 TE/TM模式分离。随着入射角度的不同，TE/TM模式缺陷带的宽度和 频率位置会发生改变。

所述的TE/TM模式分离器应用于光学器件或光通讯系统。

本发明通过在光子晶体结构中周期性的引入缺陷来构成光子 晶体耦合微腔波导，而由于缺陷带中TE和TM模式不同的局域性效果， 因此在合适的入射角情况下，这两种模式的波会发生分离，并且分裂 角度随缺陷层介电常数的增加而降低，使得这两种模式的分裂在电磁 波入射角小于等于10度情况下就可以实现，因此很适合于用做 TE/TM模式分离器的制备合适的制备。在物理电子学和光学、材料 学和微电机系统等众多领域具有巨大的潜在应用价值。本发明与现有 技术相比，工艺简单，成本低廉，极具实用价值，值得推广。

附图说明

为了使本发明可以被更完全的理解，下面将参考附图对其进行说 明，其中：

图1为耦合微腔波导的结构示意图

图2为光子晶体的能带图，标注了TE/TM缺陷带的变化。介电 常数分别为1和13的等厚度的介质材料来构成光子晶体，周期性的 引入介电常数为6的缺陷层，归一化厚度0.5。

图3为缺陷带的频率位置随入射角的变化曲线。

图4为缺陷带的宽度随入射角的变化曲线（实线是横向电场TE， 虚线是横向磁场TM）。

图5为TE/TM模式分裂角度的判断曲线（缺陷层介电常数6）。

图6为10度入射角情况下的透射谱（实线是横向电场TE，虚 线是横向磁场TM）。

图7为分裂角度随缺陷层介电常数的变化曲线。

图8为缺陷层间周期数n分别为9，10和11的光子晶体耦合波 导结构透射谱。

图9为应用于光通讯波段1550nm的光子晶体耦合波导结构透射 谱（实线是横向电场TE，虚线是横向磁场TM）。

具体实施例

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：

为了说明TE/TM模分离器的设计方法，我们首先以一维光子晶体 为例来说明我们的设计过程。如图1所示，这个一维光子晶体是由介 电常数为1（空气）和13（例如硅）的介电材料来构成，它们的归一 化厚度都是0.5。在其中周期性的引入N个缺陷层来构成耦合微腔波 导结构，缺陷层的介电常数可以在1至13之间改变，而归一化厚度 也可以在0.1至0.9之间改变。

我们这里首先选择一中情况作详细讨论，如我们选择缺陷层的介 电常数位6，其归一化厚度是0.5，而缺陷层的个数为N=10。前面的 计算可以得到，这些缺陷态将在光子晶体的带隙中形成缺陷带。为了 更详细的展示缺陷带的性质，我们先从能带图进行详细讨论。如图2 所示是光子晶体结构的能带图和缺陷带，其中灰色区域是光子晶体的 导通区，白色区域是光子晶体的带隙，TE和TM模式分别画在图的右 边和左边。通过透射曲线得到的缺陷带的数据也列在了图形中，用点 加线来表示，其在光子晶体的带隙中，并随着电磁波入射角的增大而 发生向高频端的偏移，TE和TM模式的缺陷带偏移量有差别，并且TM 模式的缺陷带有明显的展宽现象。为了更详细的讨论缺陷带的特性， 在图3中，我们列出了缺陷带随入射角的变化情况，可见TE/TM缺陷 带随入射角的增加发生向高频端移动的现象，但TM模式的移动量会 更大。在图4中显示了TE/TM缺陷带的宽度随入射角的变化曲线，可 以发现TM缺陷带随入射角有明显的展宽，而TE缺陷带随入射角却减 小。这些是由于TE和TM模在缺陷层中的局域效果不同引起的。TE 模式的电场随着入射角的增大会更加局域在缺陷层中，因此缺陷带有 缩小的趋势。TM模式的电场随着入射角的增大会更加弥散的分布在 耦合微腔波导中，因此缺陷带反倒有扩大的趋势。而这些趋势预示着 TE和TM模式在一定的入射角情况下一定会分裂。而我们可以通过判 断TE/TM缺陷带的中心位置和宽度的变化趋势来定量的给出分裂角 度。如图5所示，ΔE代表TE和TM模式缺陷带宽度的平均值，δE代 表TE和TM模式缺陷带中心频率的间距，而两个数值的交汇处就代表 缺陷模式的分裂角度，由此图可以判断出此耦合微腔波导的TE/TM缺 陷带的最小分裂角度为8.9。为了证明我们的判断，我们计算了电磁 波入射角度为10度时TE和TM模式的透射谱，为了现实的清楚，我 们制作出了缺陷带的结果，如图6所示。TE和TM模式的缺陷带明显 的分离开了，TM移向更高的频率，并且展开的更宽。而透射率的差 别现实出15个数量级的差别，因此由耦合微腔波导的TE/TM缺陷带 的性质差异，能够在较小的入射角度情况下实现TE/TM模式的高效分 离。

实施例二：

更加详细的说明缺陷层的参数对TE/TM模式分离器的影响，我们 详细讨论了不同缺陷层的性质：当缺陷层的介电常数为1时，类似于 前面的讨论过程，可以得到此耦合微腔波导的TE/TM缺陷带的最小分 裂角度为17.4。当缺陷层的介电常数为13时，此耦合微腔波导的 TE/TM缺陷带的最小分裂角度为8.4。简单而言，低介电常数的缺陷 层需要更大的入射角才能够使得TE/TM缺陷带分裂。这是由于低介电 常数的缺陷层对电磁场的局域性较差，以至于TE模式的电磁场的局 域性也随着入射角的增加而降低，以此TE和TM模式的缺陷带有相同 的变化趋势，如TE模式的缺陷带也随着入射角度的增加而向高频率 端移动，因此两个模式的缺陷带难以分离，分裂角度偏大。图7系统 的列出了在缺陷层不同介电常数的情况下，TE/TM缺陷带分裂角度的 变化趋势，可以发现随着缺陷层介电常数的增加，在较小的入射角情 况下，TE/TM两个模式的缺陷带也能分离。

实施例三：

为了的更加完整的讨论基于光子晶体缺陷带的TE/TM模式分离 器的应用，以及其特殊的带状分离效果，我们详细研究了其物理特性， 认为缺陷层间距对此结果影响很大，可以通过调整缺陷层间周期数n 来实现平带结构的传输。如图8所示是缺陷层间周期数n分别等于9， 10和11数值的光子晶体耦合波导透射谱，可以发现缺陷层间周期数 n=10将出现宽平带结果，能够实现宽带传输，这将在宽带TE/TM模 式分离器中凸现重要作用。而为了实用化，我们设计了基于光通讯波 段1550nm波长的TE/TM模式分离器，如图9所示，电磁波入射角10 度，TE/TM模式实现了很好的分析效果。当入射光波长为1550nm时， TM波的透射率接近100%，而TE模的透射率要低15个数量级以上。 而当入射光波长为1551nm时，TE/TM模式的透射性质正好反过来， TE波的透射率接近100%，而TM模的透射率要低15个数量级以上。

以上通过实施例对本发明进行了详细的描述，本领域的技术人员 应当理解，在不超出本发明的精神和实质的范围内，对本发明做出一 定的修改和变形，如两维或三维结构的光子晶体耦合微腔波导，不同 介电常数的材料等，仍然能够实现TE/TM模分离器，不以本发明实 施例所给的范围为例。