二维光子晶体偏振分束器.pdf

二维光子晶体偏振分束器涉及电磁波偏振分束器领域，其特征在于，它是一种把电介质棒插入到折射率比电介质棒的折射率要小的背景介质而构成的二维周期性结构，沿着电磁波入射方向，它依次由左增透膜、主体部分、右增透膜三部分组成，主体部分中电介质棒的半径比其它两部分的都大。主体部分的入射边贴着左增透膜的出射边，右增透膜的入射边贴着主体部分的出射边。本发明具有光子晶体本身所有的标度不变性的优点；在工作波长相同时，本发明的晶格常数比现有的二维光子晶体偏振分束器晶格常数要小得多，因而具有轻便小巧的优点；本发明还可同时透射两个相互垂直的偏振分量，其偏振度高，透射率也大。

1、  二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，它具有把电介质棒插入在背景介质中二维周期性结构，其中背景介质和电介质棒是任意电介质，所述背景介质的折射率比电介质棒的折射率小，沿着电磁波的入射方向，所述二维周期性结构依次由以下三个部分组成：
(1).左增透膜，它的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边覆盖全部入射波束，出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束范围之外；
(2).主体部分，它的整体轮廓为三角形，其中一边即入射边贴着所述左增透膜的出射边且覆盖全部入射波束，第二边即出射边覆盖全部出射波束，第三边全部处在波束传播范围之外；
(3).右增透膜，它的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边贴着所述主体部分的出射边且覆盖全部入射波束，所述出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束传播范围之外；
在上述二维周期性结构中，主体部分的电介质棒的半径比左、右增透膜中电介质棒的半径大。

2、  据权利要求1所述的二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述左增透膜呈矩形。

3、  根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述主体部分为直角三角形。

4、  根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述右增透膜是平行四边形。

5、  根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述左增透膜为矩形，主体部分为直角三角形，右增透膜为平行四边形。

6、  根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述电介质棒的截面形状是任意的。

7、  根据权利要求1所述的二维光子晶体偏振分束器，其特征在于，所述电介质棒的晶格单元是任意形状的。

二维光子晶体偏振分束器
技术领域：本发明涉及一种电磁波偏振分束器，具体是一种二维光子晶体偏振分束器。
背景技术：
光子晶体是一种空间上具有周期性的电介质结构，而二维光子晶体是一个二维平面上具有周期性的电介质结构。电磁波传播时，一般来说是非偏振的，即具有两个互相垂直的不等于零的偏振分量，偏振分束器是将一束入射非偏振电磁波分解成两束具有不同偏振的电磁波的器件。电磁波在二维光子晶体中传播时，可分解为两个偏振分量分别平行和垂直于该二维平面的轴，称为P和S波。
中国专利号98110990.X，授权公告号CN 1093266C，授权公告日2002年10月23日，名称为“二维光子晶体偏振器及制备方法”，该专利公开了一种二维光子晶体偏振器。另外，美国期刊《Journal of Applied Physics》2003年6月15日出版，93卷，9429页，D.R.Solli，C.F.McCormick，R.Y.Chiao，J.H.Hickmann等人所撰”Photonic crystal polarizers and polarizing beam splitters”一文公开了一种工作于微波区间的二维光子晶体偏振分束器及其实验结果。
上文所提及的现有二维光子晶体偏振器，其基本原理是利用光子晶体的带隙结构进行分束。具体来说，空间上的周期性使光子晶体形成能带结构，能带之间可能会有带隙；如果电磁波的频率落在带隙中，则该频率的电磁波不能在该结构中传播，因此，该频率的电磁波入射时将被完全反射。不同偏振具有不同的能带结构，一般来说带隙的位置不相同，因此如果入射电磁波的一个偏振处于带隙而另一个偏振不处于带隙，则前者被完全反射，后者透射，于是在透射的电磁波中就只含有一个偏振分量。
由于工作原理依赖带隙，现有二维光子晶体偏振器的主要缺点为：
1.对于一定的工作波长，带隙的出现要求其晶格常数与波长可比拟，甚至比波长大，上述两篇文章中的二维光子晶体偏振器，其λ/a，即工作波长与晶格常数之比约为5∶1至1∶1，因此其体积受到限制，无法做得很小，特别是如果工作波长在微波段至无线电频段，则偏振器的体积会相当大，不利于集成光学的要求。
2.由于一个偏振分量必须反射掉，无法满足特定场合下使两束偏振波都透射的要求。
发明内容
发明目地：为克服上述缺点，本发明的目的是提供一种二维光子晶体偏振分束器，在工作波长下其尺寸比现有的二维光子晶体偏振器大大减小，并且使两束偏振波同时透射。
本发明基于二维光子晶体的各向异性性质。所谓各向异性，是指光子晶体整体上对不同偏振的平均折射率是不同的。虽然二维光子晶体是周期性的电介质棒，但如果入射波的波长比晶格常数大得多，则该光子晶体的周期结构难以被入射电磁波感受到，此时对入射电磁波来说，光子晶体整体上近似于一块均匀介电材料，一定的入射波长下，晶格常数越小，光子晶体的周期性对电磁波的作用越弱，而整体性越强。因此，在入射波长比晶格常数大得多时，例如波长与晶格常数之比约为10∶1至30∶1，如图1，光子晶体对电磁波的作用可以用平均折射率描述。另一方面，光子晶体的平均折射率之差依赖于晶格常数，占空比(电介质棒截面积与周期结构的单元面积之比)，电介质棒的折射率以及背景介质的折射率，选择合适的参数配比，可以使得不同偏振的平均折射率之差很大，因此电磁波在光子晶体中只需要传播很短的距离就能获得期望的偏振分束效果。利用不同偏振的平均折射率之差，设计合适的电介质棒阵列的轮廓形状，就可以设计出高质量的偏振分束器。
本发明的特征在于：
1、它具有把电介质棒插入在背景介质中二维周期性结构，其中背景介质和电介质棒是任意电介质，所述背景介质的折射率比电介质棒的折射率小，沿着电磁波的入射方向，所述二维周期性结构依次由以下三个部分组成：
(1).左增透膜，它的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边覆盖全部入射波束，出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束范围之外；
(2).主体部分，它的整体轮廓为三角形，其中一边即入射边贴着所述左增透膜的出射边且覆盖全部入射波束，第二边即出射边覆盖全部出射波束，第三边全部处在波束传播范围之外；
(3).右增透膜，它的整体轮廓为四边形，入射边平行于出射边，所述入射边贴着所述主体部分的出射边且覆盖全部入射波束，所述出射边覆盖全部出射波束，剩余两边全部处在波束传播范围之外；
在上述二维周期性结构中，主体部分的电介质棒的半径比左、右增透膜中电介质棒的半径大。
2、所述左增透膜呈矩形。
3、所述主体部分为直角三角形。
4、所述右增透膜是平行四边形。
5、所述左增透膜为矩形，主体部分为直角三角形，右增透膜为平行四边形。
6、所述电介质棒的截面形状是任意的。
7、所述电介质棒的晶格单元是任意形状的。
此结构的分束原理是：该结构的主体部分相当于一个棱镜，由于其对S波和P波有较大的平均折射率之差，在出射时S波和P波的折射角不同，于是便分开了两束不同偏振的光。而增透膜的作用是提高S波的透射率，即提高能量的利用率。
本发明的有益效果：本发明具有光子晶体本身所具有的标度不变性的优点，即只需将结构的尺寸放大或缩小一个因子，其工作波长随之放大或缩小相同的因子，而保持偏振波束的偏振度、透射率等性能指标不变。除此之外，在工作波长相等时，本发明比现有的二维光子晶体偏振器晶格常数要小得多，因而具有轻便小巧的优点，尺寸受的限制也小；本发明可使P波和S波同时透射，且透射率大，偏振度高，能很好的适应集成光路设计中的特殊要求。
附图说明：
图1是二维光子晶体结构以及在背景介质中的电磁波波长λ与晶格常数a对比示意图：1.电磁波，2.电介质棒，3.背景介质。
图2是本发明的一个实施例结构示意图。
具体实施方式
如图2，入射电磁波源为单缝衍射波源，缝宽150a，背景介质中波长为10a(以下均使用晶格常数a为长度单位工作)。
在二维平面上，分束器由正方晶格的硅(折射率n＝3.4)棒阵列构成，背景介质为空气(折射率n＝1.0)。分束器整体轮廓为直角梯形，其中左增透膜1整体轮廓为一矩形，入射边垂直于电磁波入射方向，入射边长156a，棒半径0.212a；主体2整体轮廓为直角三角形，其中一直角边(入射边)重合于左增透膜的出射边，且与三角形斜边之间夹角为8度，棒半径0.33a；右增透膜3整体轮廓为平行四边形，其中两短边平行于左增透膜的两短边，长0.91a，入射边重合于主体部分的斜边，棒半径为0.23a。
入射波(入射波中S波和P波大小相等)经过该结构后出射为两束偏振波S波和P波，方向分别为由入射方向顺时针转10.4度和3度，偏振度分别为99.7％和99.5％，能量透射率分别为93.3％和96.7％。