基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥.pdf

摘要
申请专利号：	CN201410108216.X	申请日：	2014.03.21
公开号：	CN103901537A	公开日：	2014.07.02
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G02B 6/126申请日:20140321\|\|\|公开
IPC分类号：	G02B6/126	主分类号：	G02B6/126
申请人：	深圳大学
发明人：	欧阳征标; 金鑫; 余铨强; 文国华
地址：	518060 广东省深圳市南山区南海大道3688号
优先权：
专利代理机构：	深圳市科吉华烽知识产权事务所(普通合伙) 44248	代理人：	胡吉科
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内容摘要

本发明公开了一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，旨在提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成而且高效，同时在十字交叉处不产生串扰的偏振光桥。它包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，光子晶体波导呈十字形状，光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。

权利要求书

权利要求书
1.  一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，其特征在于：所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。

2.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述垂直TE波导中的缺陷介质柱为四个方形介质柱，水平TM波导中的缺陷介质柱为三个圆形介质柱；所述垂直TE波导的四个方形介质柱和水平TM波导的三个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同。

3.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端。

4.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。

5.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除1排或2排或3排或4排介质柱后的结构。

6.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。

7.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述波导缺陷介质柱中的e光折射率大于o光折射率，且波导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。

8.  按照权利要求1或7所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述波导缺陷介质柱数量为1根或2根或3根或4根或5根或6根。

9.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述TM波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。

10.  按照权利要求1所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行或两列介质柱而形成导波波导。

说明书

说明书基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥
技术领域
本发明涉及微小光学偏振光桥领域,尤其涉及一种基于光子晶体技术的微小光学偏振光桥。
背景技术
传统的光桥及偏振光桥应用的是几何光学原理，因此体积都比较大，无法用于光路集成中。以光子晶体为基础可以制作微小的器件，包括偏振光桥。架设偏振光桥的光子晶体导波光路一般通过对具有完全禁带的光子晶体引入线缺陷来构建。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，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。通过这两种方法仅可以设计出常规的偏振器件，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了很多，但是功能单一而且还是显得比较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成且高效的光子晶体十字红外偏振光桥。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入TM光信号的TM波和TE光信号的TE波，TM波和TE波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的TM光信号从TM输出端口输出,而输入的TE光信号从TE输出端口输出。
所述垂直TE波导中的缺陷介质柱为四个方形介质柱，水平TM波导中的缺陷介质柱为三个圆形介质柱；所述垂直TE波导的四个方形介质柱和水平TM波导的三个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同。
所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端。
所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。
所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除1排或2排或3排或4排介质柱后的结构。
所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。
所述波导缺陷介质柱中的e光折射率大于o光折射率，且波导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。
所述波导缺陷介质柱数量为1根或2根或3根或4根或5根或6根。
所述TM波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。
所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行或两列介质柱而形成导波波导。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
1.结构体积小，光传输效率高，适合大规模光路集成；
2.本发明可以短程高效地定向导通TE、TM的光波信号，在十字光桥交叉位置不产生串扰。
3.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；
4.本器件与其它耦合腔模式偏振分光器件相比，具有很高消光比、偏振度高以及极低的插入损耗，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。
5.依据其偏振选择的特性可以在既有光桥架构上实现5种不同的应用功能。
6.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，可以实现不同波长偏振分束的功能。
附图说明
图1是本发明使用的Tellurium光子晶体及波导结构示意图。
图中：TM光信号输入端1（左方端口1）TE光信号输入端2（左方端口2）TM光信号输出端3（右方端口3）TE光信号输出端4（上方端口4）背景碲介质柱5方形缺陷介质柱6圆形缺陷介质柱7
图2是本发明光子晶体十字红外偏振光桥的结构示意图及参数分布图。
图中：晶格常数L1=a波导间介质柱圆心间距L2=3a方形点缺陷边长L3=0.538a圆形点缺陷与背景介质柱5的距离L4=1.5a方形点缺陷之间距离与背景介质柱5的距离L5=a圆形点缺陷之间距离L6=a背景碲介质柱5的半径R1=0.3431a圆形点缺陷半径R2=0.165a
图3是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的消光比(Extinction Ratio,EXR）。
图4是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的偏振度(Degree of Polarization,DOP）。
图5是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的插入损耗（Insertion Loss）。
图6是本发明偏振光桥实现功能（1）、（3）、（4）时的光场分布示意图。
图7为图1光桥中光场分量的分布图。
图7（a）：TE分量的分布图。
图7（b）：TM分量的分布图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细阐述：
如图1中所示，本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直TE波导、水平TM波导、TM光信号输入端及TM输出端、TE光信号输入端及TE输出端构成。本器件初始信号光从左方端口1和下方端口2入射，上方端口4输出TE光波，右方端口3输出TM光波。背景碲介质柱5，光轴方向垂直纸面向外，其半径为R=0.3431a。方形缺陷介质柱6，光轴方向与纸面平行并且平行于正方体下端面，其边长为L=0.538a，其位置中心与对应的为形成波导所删除背景介质柱5的各个圆心相同。圆形缺陷介质柱7，光轴方向与背景介质柱相同，其半径为R=0.165a，其位置中心与对应的为形成波导所删除背景介质柱5的各个圆心相同。
本发明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no=4.8,ne=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：
ne＝[9.5222+9.3068λ2(λ2-2.5766)-1+9.2350λ2(λ2-13521)-1]1/2    (1)
no＝[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)，其中间的任何频率的光波将被限制在波导中。
本发明通过在上述波导中引入点缺陷，使点缺陷针对不同偏振态的光波的等效折射率不同，继而确定符合单偏振态全反射，同时另一偏振态全透射的点缺陷参数。将这些不同规格的点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光波在各自允许传播的波导中传播，而且在波导交叉位置不会产生干扰。
如图1与图2所示，本发明所使用碲介质波导需要删除两行或两列介质柱而形成导波波导，其L1＝a，L2＝3a，背景介质柱5的半径R1=0.3431a。本说明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。
点缺陷的等效折射率为：
neffTE=&Integral;Ωne·Ez2dΩ&Integral;ΩEz2dΩ---(3)]]>
neffTM=&Integral;Ωno·(Ex2+Ey2)dΩ&Integral;Ω(Ex2+Ey2)dΩ---(4)]]>
式中与分别对应TE与TM光的等效折射率，Ex，Ey，Ez分别为电场的x,y,z分量。
波导中的光波在点缺陷处的反射率(R)与透射率(T)可以表示为：
RTE=(neffTE-1neffTE+1)2---(5)]]>
TTE=4neffTE(neffTE+1)2]]>
RTM=(neffTM-1neffTM+1)2---(6)]]>
TTM=4neffTM(neffTM+1)2]]>
可以通过调节介质柱的大小来确定符合RTE≈1,TTE≈0且RTM≈0,TTM≈1这两个条件的介质柱半径，从而实现阻隔TE光，传输TM光的功能。
通过数值扫描计算得到，TM波具有消光比极大值时的圆形介质柱7的半径为
R2=0.165a      (7)
此时的neffTE&RightArrow;∞,neffTM&RightArrow;1.]]>
同时，也可以通过同时调节两行并排介质柱的大小来确定符合RTE≈0,TTE≈1且RTM≈1,TTM≈0这两个条件的介质柱半径，从而实现阻隔TM光，传输TE光的功能。（此时介质柱e光轴的偏置方向与波传播方向正交）
通过数值扫描计算得到TE波具有消光比极大值时的方形介质柱6的边长为
L3=0.538a      (8)
此时，neffTE&RightArrow;1,neffTM&RightArrow;∞.]]>
水平通TM波导的三个圆形介质柱7的中心位置位于波导水平中心线与第一列通TM波导介质柱中心线交叉点处，其点缺陷中心与上下两个介质柱中心的距离为
L4＝1.5a      (9)
垂直通TE波导的四个方形介质柱6与其所在行背景介质垂直中心位置相同，水平中心位置分别与左右两边的背景介质柱5的距离为
L5＝a      (10)
垂直通TE波导的四个方形介质柱6的e光轴的偏置方向与其它点缺陷和背景介质柱5不同，其偏置方向为水平x轴。
如图1与图2所示，通TE波导端口的四个方形缺陷介质柱6中，每一个方形介质柱的中心与其对应的为形成波导所删除的圆形介质柱 7的中心相同，故四个方形介质柱6各自距离为a，同时与最近背景介质柱5的中心距离也为a，各自边长为0.538a。四个方形碲介质柱的光轴与光子晶体中的背景圆柱碲介质柱的光轴正交，同时光轴方向与图中正方形的上下边平行，与左右边正交。
同时，在通TM波导端口的三个圆形缺陷介质柱7中，每一个圆形介质柱的中心与其所对应的为形成波导时所删除的圆形介质柱的中心相同，故三个圆形介质柱7各自距离为a，同时与最近背景介质柱5中心的距离也为a，各自半径为0.165a。三个圆形碲介质柱的光轴与光子晶体中的背景圆柱碲介质柱的光轴方向一致。
当在碲介质柱阵列波导中引入上述缺陷后，入射信号端口为图1中TM光信号输入端1和TE光信号输入端2的位置，光在以介质柱5阵列形成的波导中传播，TE光信号到达方形缺陷介质柱6形式的缺陷位置后，TE光信号量将全部通过，而所掺杂TM分量将全部阻隔；TM光信号到达圆形缺陷介质柱7形式的缺陷位置后，TM光信号将全部通过，而所掺杂TE分量将全部阻隔。最后TE光信号将在输出端口4位置输出；TM光信号将在输出端口3位置输出。同时，在中心交叉区域不同偏振态的光信号不互相干扰；即共用中心区域形成光路十字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.当端口1的入射光信号为TM波波；端口2的入射光信号为TE波时，端口1中的TM光信号经过偏振提纯后从右方端口3输出；端口 2中的TE光信号经过偏振提纯后从上方端口4输出,并在十字交叉位置不产生互扰。
2.当端口1和端口2的入射光信号为同时含有TM和TE分量的混合波时，端口1中的TM分量将全部从右方端口3输出；端口2中的TE分量将全部从上方端口4输出；端口1中的TE波被从端口1反射回去，端口2中TM波从端口2反射回去。
3.当端口1和端口2的入射光信号波都仅为TM波时，来自端口1的TM波从右方端口3输出，来自端口2的TM波从端口2反射回去，而上方端口4无光信号输出。
4.当端口1和端口2的入射光信号波都仅为TE波时，来自端口2的TE波从上方端口4输出,来自端口1的TE波从端口1反射回去，而右方端口3无光信号导出。
5.当端口1和端口2的入射光信号波分别是TE波和TM波时，任何输出端口均无光信号输出。
对于晶格常数和工作波长的选取，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=ωa2πc=aλ---(11)]]>
其中ω为圆频率，为f归一化频率，以及本发明中正方晶格碲结构的归一化禁带频率范围
f=0.2368～0.2569      (12)
计算出相应的禁带波长范围为：
λ=3.893a～4.223a      (13)
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：ExtinctionRatioTE=10×log10(ITEITM)---(14)]]>
TM波：ExtinctionRatioTM=10×log10(ITMITE)---(15)]]>
偏振度定义为：
TE波：DegreeofPolarizationTE=|ITE-ITMITE+ITM|---(16)]]>
TM波：DegreeofPolarizationTM=|ITM-ITEITM+ITE|---(17)]]>
插入损耗定义为：
InsertionLoss(dB)＝10×log10(Pin/Pout).      (18)
通过图3可以得知，当工作波长为3.947-4.223时，TE波和TM波的消光比全部大于20dB，并且在图4中可以观察到TE、TM波都具有近乎1的偏振度，同时图5中所示的的插入损耗表明在此区间内所有的插入损耗都低于0.5dB。
图6为自由空间工作波长为4.05a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分别为no=4.924与ne= 6.368。通过有限元软件COMSOL进行计算，得到的光场模拟图。可以观察到，TE及TM波分别高效地在各自的通带传播，经过十字交叉光桥且不互相干扰，并且具有极高的消光比和偏振度以及极低的插入损耗。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6（a）、（b）。
其中图6（a）、（b）为实现上述功能（1）时的光场模拟实验图。即入射端口1为高纯度TM光信号，入射端口2为高纯度TE光信号。图6中（a）为整个场的TE分量强度分布图，（b）为整个场的TM分量强度分布图。可以观察到，无论是TE信号还是TM信号都经过本十字光桥后几乎保持原有强度而继续传播，同时在十字交叉部分不产生任何串扰。
其中图6（c）为实现上述功能（4）时的光场模拟实验图。即入射端口1、2同为高纯度TE光信号。从图中可以看到，TE波从上方端口4导出；而右方端口3无光信号导出。
其中图6（d）为实现上述功能（3）时的光场模拟实验图。即入射端口1、2同为高纯度TM光信号。从图中可以看到，TM波从右方端口3导出；而上方端口4无光信号导出。
限于篇幅，功能（2）与功能（5）的模拟实验结果不再在此赘述，完全可以从图6实现的（1）、（3）和（4）三个功能的实验结果推论出来。
本发明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两列的方式形成波导，使TE、TM光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柱的e光光轴方向要满足与圆柱体的轴线方向一致。工作波长可以在不考虑色散或色散可忽略的情况下通过介质柱间晶格常数来调节。
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，则可以通过式（11）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5.279。本器件的光桥特性将与图6展示的结果相同。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no=4.8657与ne=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。即当工作波长为5μm时，TE通路中TE波的消光比为65.71dB，偏振度为0.9999，插入损耗为0.05dB；TM通路中TM波的消光比为81.40dB，偏振度为0.9999，插入损耗为0.16dB。可见本发明具有易于灵活运用的特性。图7为上述5μm工作波长输入的情况下，在端口1与端口2（参见图1）分别输入TM、TE信号后，如图7（a）所示的光桥中TE分量的分布图以及如图7（b）所示的光桥中TM分量的分布图。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。

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1、(10)申请公布号 CN 103901537 A (43)申请公布日 2014.07.02 CN 103901537 A (21)申请号 201410108216.X (22)申请日 2014.03.21 G02B 6/126(2006.01) (71)申请人深圳大学地址 518060 广东省深圳市南山区南海大道 3688 号 (72)发明人欧阳征标金鑫余铨强文国华 (74)专利代理机构深圳市科吉华烽知识产权事务所 ( 普通合伙 ) 44248 代理人胡吉科 (54) 发明名称基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥 (57) 摘要本发明公开了一种基于光子晶体波导的十字红外偏。

2、振光桥，旨在提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成而且高效，同时在十字交叉处不产生串扰的偏振光桥。它包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，光子晶体波导呈十字形状，光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；光子晶体十字波导由垂直 TE 波导、水平 TM 波导、 TM 光信号输入端及TM输出端、 TE光信号输入端及TE 输出端构成；光子晶体波导的两个输入端分别输入 TM 光信号的 TM 波和 TE 光信号的 TE 波， TM 波和 TE 波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的 TM 光信号从 T。

3、M 输出端口输出 , 而输入的 TE 光信号从 TE 输出端口输出。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页说明书 7 页附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书1页说明书7页附图4页 (10)申请公布号 CN 103901537 A CN 103901537 A 1/1 页 2 1. 一种基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，其特征在于：所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂。

4、直 TE 波导、水平 TM 波导、 TM 光信号输入端及 TM 输出端、 TE 光信号输入端及 TE 输出端构成；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入 TM 光信号的 TM 波和 TE 光信号的 TE 波， TM 波和 TE 波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的 TM 光信号从 TM 输出端口输出 , 而输入的 TE 光信号从 TE 输出端口输出。 2. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述垂直 TE 波导中的缺陷介质柱为四个方形介质柱，水平 TM 波导中的缺陷介质柱为三个圆形介质柱；所述垂直 TE 波导的四个。

5、方形介质柱和水平 TM 波导的三个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同。 3. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为 TM 光信号输入端及 TM 输出端、 TE 光信号输入端及 TE 输出端。 4. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。 5. 按照权利要求 1 所述。

6、的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除 1 排或 2 排或 3 排或 4 排介质柱后的结构。 6. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述光子晶体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。 7. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述波导缺陷介质柱中的 e 光折射率大于 o 光折射率，且波导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。 8. 按照权利要求 1 或 7 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征。

7、在于：所述波导缺陷介质柱数量为 1 根或 2 根或 3 根或 4 根或 5 根或 6 根。 9. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述 TM 波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。 10. 按照权利要求 1 所述的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，其特征在于：所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行或两列介质柱而形成导波波导。权利要求书 CN 103901537 A 2 1/7 页 3 基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥技术领域 0001 本发明涉及微小光学偏振光桥领域 , 尤其。

8、涉及一种基于光子晶体技术的微小光学偏振光桥。背景技术 0002 传统的光桥及偏振光桥应用的是几何光学原理，因此体积都比较大，无法用于光路集成中。以光子晶体为基础可以制作微小的器件，包括偏振光桥。架设偏振光桥的光子晶体导波光路一般通过对具有完全禁带的光子晶体引入线缺陷来构建。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，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。通过这两种方法仅可以设计出常规的偏振器件。

9、，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了很多，但是功能单一而且还是显得比较大。发明内容 0003 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、偏振度高、便于集成且高效的光子晶体十字红外偏振光桥。 0004 为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案： 0005 本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导。

10、缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介质柱；所述光子晶体十字波导由垂直 TE 波导、水平 TM 波导、 TM 光信号输入端及 TM 输出端、 TE 光信号输入端及 TE 输出端构成；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入 TM 光信号的 TM 波和 TE 光信号的 TE 波， TM 波和 TE 波在共用中心区域形成光路的十字交叉位置不互扰，输入的 TM 光信号从 TM 输出端口输出 , 而输入的 TE 光信号从 TE 输出端口输出。 0006 所述垂直 TE 波导中的缺陷介质柱为四个方形介质柱，水平 TM 波导中的缺陷介质柱为三个圆形介质柱；所述垂直 TE 波导的四个方。

11、形介质柱和水平 TM 波导的三个圆形介质柱的中心位置与其对应的为形成波导所删除的背景介质柱的中心位置相同。 0007 所述光子晶体波导的左右端口、上下端口分别为TM光信号输入端及TM输出端、 TE 光信号输入端及 TE 输出端。 0008 所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括碲介质二维光子晶体波导，蜂窝结构二维光子晶体波导，孔状三角晶格二维光子晶体波导，各种非规则形状二维光子晶体波导。 0009 所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除 1 排或 2 排或 3 排或 4 排介质柱后的结构。说明书 CN 103901537 A 3 2/7 页 4 0010 所述光子晶。

12、体波导平面垂直于所述的光子晶体中的介质柱的轴线。 0011 所述波导缺陷介质柱中的 e 光折射率大于 o 光折射率，且波导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。 0012 所述波导缺陷介质柱数量为 1 根或 2 根或 3 根或 4 根或 5 根或 6 根。 0013 所述 TM 波导的圆形缺陷介质柱的光轴与背景介质柱的光轴方向一致。 0014 所述背景介质为介质柱阵列形成的碲介质波导，该碲介质波导为删除两行或两列介质柱而形成导波波导。 0015 本发明与现有技术相比具有以下的优点： 0016 1. 结构体积小，光传输效率高，适合大规模光路集成； 001。

13、7 2. 本发明可以短程高效地定向导通 TE、 TM 的光波信号，在十字光桥交叉位置不产生串扰。 0018 3. 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； 0019 4. 本器件与其它耦合腔模式偏振分光器件相比，具有很高消光比、偏振度高以及极低的插入损耗，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。 0020 5. 依据其偏振选择的特性可以在既有光桥架构上实现 5 种不同的应用功能。 0021 6. 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。

14、放的特性，通过等比例改变晶格常数的方法，可以实现不同波长偏振分束的功能。附图说明 0022 图 1 是本发明使用的 Tellurium 光子晶体及波导结构示意图。 0023 图中： TM 光信号输入端 1（左方端口 1） TE 光信号输入端 2（左方端口 2） TM 光信号输出端 3（右方端口 3） TE 光信号输出端 4（上方端口 4）背景碲介质柱 5 方形缺陷介质柱 6 圆形缺陷介质柱 7 0024 图 2 是本发明光子晶体十字红外偏振光桥的结构示意图及参数分布图。 0025 图中：晶格常数 L1=a 波导间介质柱圆心间距 L2=3a 方形点缺陷边长 L3=0.538a 。

15、圆形点缺陷与背景介质柱 5 的距离 L4=1.5a 方形点缺陷之间距离与背景介质柱 5 的距离 L5=a 圆形点缺陷之间距离 L6=a 背景碲介质柱 5 的半径 R1=0.3431a 圆形点缺陷半径 R2=0.165a 0026 图 3 是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的消光比 (Extinction Ratio,EXR）。 0027 图 4 是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的偏振度 (Degree of Polarization,DOP）。 0028 图 5 是本发明偏振光桥各通道在禁带频率范围内的插入损耗（Insertion Loss）。 0029 图 6 是本发明偏。

16、振光桥实现功能（1）、（3）、（4）时的光场分布示意图。 0030 图 7 为图 1 光桥中光场分量的分布图。 0031 图 7（a）： TE 分量的分布图。 0032 图 7（b）： TM 分量的分布图。说明书 CN 103901537 A 4 3/7 页 5 具体实施方式 0033 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细阐述： 0034 如图 1 中所示，本发明的基于光子晶体波导的十字红外偏振光桥，包括一个具有完全禁带的光子晶体波导，所述光子晶体波导呈十字形状，所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为方形缺陷介质柱和圆形缺陷介。

17、质柱；所述光子晶体十字波导由垂直 TE 波导、水平 TM 波导、 TM 光信号输入端及 TM 输出端、 TE 光信号输入端及 TE 输出端构成。本器件初始信号光从左方端口 1 和下方端口 2 入射，上方端口 4 输出 TE 光波，右方端口 3 输出 TM 光波。背景碲介质柱 5，光轴方向垂直纸面向外，其半径为 R=0.3431a。方形缺陷介质柱 6，光轴方向与纸面平行并且平行于正方体下端面，其边长为 L=0.538a，其位置中心与对应的为形成波导所删除背景介质柱 5 的各个圆心相同。圆形缺陷介质柱 7，光轴方向与背景介质柱相同，其半径为 R=0.165a，其位。

18、置中心与对应的为形成波导所删除背景介质柱 5 的各个圆心相同。 0035 本发明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 no=4.8,ne=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： 0036 ne 9.5222+9.30682(2-2.5766)-1+9.23502(2-13521)-11/2 (1) 003。

19、7 no 18.5346+4.32892(2-3.9810)-1+3.78002(2-11813)-11/2 (2) 0038 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(a/2c)，其中间的任何频率的光波将被限制在波导中。 0039 本发明通过在上述波导中引入点缺陷，使点缺陷针对不同偏振态的光波的等效折射率不同，继而确定符合单偏振态全反射，同时另一偏振态全透射的点缺陷参数。将这些不同规格的点缺陷应用到不同偏振态波导的端面附近，就可以实现不同。

20、偏振态的光波在各自允许传播的波导中传播，而且在波导交叉位置不会产生干扰。 0040 如图 1 与图 2 所示，本发明所使用碲介质波导需要删除两行或两列介质柱而形成导波波导，其 L1 a， L2 3a，背景介质柱 5 的半径 R1=0.3431a。本说明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。 0041 点缺陷的等效折射率为： 0042 0043 0044 式中与分别对应 TE 与 TM 光的等效折射率， Ex， Ey， Ez分别为电场的 x,y,z 说明书 CN 103901537 A 5 。

21、4/7 页 6 分量。 0045 波导中的光波在点缺陷处的反射率 (R) 与透射率 (T) 可以表示为： 0046 0047 0048 0049 0050 可以通过调节介质柱的大小来确定符合 RTE 1,TTE 0 且 RTM 0,TTM 1 这两个条件的介质柱半径，从而实现阻隔 TE 光，传输 TM 光的功能。 0051 通过数值扫描计算得到， TM 波具有消光比极大值时的圆形介质柱 7 的半径为 0052 R2=0.165a (7) 0053 此时的 0054 同时，也可以通过同时调节两行并排介质柱的大小来确定符合 RTE 0,TTE 1 且 RTM 1,TTM 0 这两个条件的。

22、介质柱半径，从而实现阻隔 TM 光，传输 TE 光的功能。（此时介质柱 e 光轴的偏置方向与波传播方向正交） 0055 通过数值扫描计算得到 TE 波具有消光比极大值时的方形介质柱 6 的边长为 0056 L3=0.538a (8) 0057 此时， 0058 水平通 TM 波导的三个圆形介质柱 7 的中心位置位于波导水平中心线与第一列通 TM 波导介质柱中心线交叉点处，其点缺陷中心与上下两个介质柱中心的距离为 0059 L4 1.5a (9) 0060 垂直通TE波导的四个方形介质柱6与其所在行背景介质垂直中心位置相同，水平中心位置分别与左右两边的背景介质柱 5 的距离为 00。

23、61 L5 a (10) 0062 垂直通 TE 波导的四个方形介质柱 6 的 e 光轴的偏置方向与其它点缺陷和背景介质柱 5 不同，其偏置方向为水平 x 轴。 0063 如图 1 与图 2 所示，通 TE 波导端口的四个方形缺陷介质柱 6 中，每一个方形介质柱的中心与其对应的为形成波导所删除的圆形介质柱 7 的中心相同，故四个方形介质柱 6 各自距离为 a，同时与最近背景介质柱 5 的中心距离也为 a，各自边长为 0.538a。四个方形碲介质柱的光轴与光子晶体中的背景圆柱碲介质柱的光轴正交，同时光轴方向与图中正方形的上下边平行，与左右边正交。说明书 CN 103。

24、901537 A 6 5/7 页 7 0064 同时，在通 TM 波导端口的三个圆形缺陷介质柱 7 中，每一个圆形介质柱的中心与其所对应的为形成波导时所删除的圆形介质柱的中心相同，故三个圆形介质柱 7 各自距离为 a，同时与最近背景介质柱 5 中心的距离也为 a，各自半径为 0.165a。三个圆形碲介质柱的光轴与光子晶体中的背景圆柱碲介质柱的光轴方向一致。 0065 当在碲介质柱阵列波导中引入上述缺陷后，入射信号端口为图1中TM光信号输入端 1 和 TE 光信号输入端 2 的位置，光在以介质柱 5 阵列形成的波导中传播， TE 光信号到达方形缺陷介质柱 6 形式的缺陷位。

25、置后， TE 光信号量将全部通过，而所掺杂 TM 分量将全部阻隔； TM 光信号到达圆形缺陷介质柱 7 形式的缺陷位置后， TM 光信号将全部通过，而所掺杂 TE 分量将全部阻隔。最后 TE 光信号将在输出端口 4 位置输出； TM 光信号将在输出端口 3 位置输出。同时，在中心交叉区域不同偏振态的光信号不互相干扰；即共用中心区域形成光路十字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： 0066 1. 当端口 1 的入射光信号为 TM 波波；端口 2 的入射光信号为 TE 波时，端口 1 中的 TM 光。

26、信号经过偏振提纯后从右方端口 3 输出；端口 2 中的 TE 光信号经过偏振提纯后从上方端口 4 输出 , 并在十字交叉位置不产生互扰。 0067 2. 当端口 1 和端口 2 的入射光信号为同时含有 TM 和 TE 分量的混合波时，端口 1 中的TM分量将全部从右方端口3输出；端口2中的TE分量将全部从上方端口4输出；端口 1 中的 TE 波被从端口 1 反射回去，端口 2 中 TM 波从端口 2 反射回去。 0068 3. 当端口 1 和端口 2 的入射光信号波都仅为 TM 波时，来自端口 1 的 TM 波从右方端口 3 输出，来自端口 2 的 TM 波从端口 2 。

27、反射回去，而上方端口 4 无光信号输出。 0069 4. 当端口 1 和端口 2 的入射光信号波都仅为 TE 波时，来自端口 2 的 TE 波从上方端口 4 输出 , 来自端口 1 的 TE 波从端口 1 反射回去，而右方端口 3 无光信号导出。 0070 5. 当端口 1 和端口 2 的入射光信号波分别是 TE 波和 TM 波时，任何输出端口均无光信号输出。 0071 对于晶格常数和工作波长的选取，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。

28、配置参数，以达到最佳参数选择的目的）。通过公式 0072 0073 其中为圆频率，为 f 归一化频率，以及本发明中正方晶格碲结构的归一化禁带频率范围 0074 f=0.2368 0.2569 (12) 0075 计算出相应的禁带波长范围为： 0076 =3.893a 4.223a (13) 0077 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值。 0078 波导中的消光比定义为：说明书 CN 103901537 A 7 6/7 页 8 0079 TE 波： 0080 TM 波： 0081 偏振度定。

29、义为： 0082 TE 波： 0083 TM 波： 0084 插入损耗定义为： 0085 InsertionLoss(dB) 10log10(Pin/Pout). (18) 0086 通过图 3 可以得知，当工作波长为 3.947-4.223 时， TE 波和 TM 波的消光比全部大于 20dB，并且在图 4 中可以观察到 TE、 TM 波都具有近乎 1 的偏振度，同时图 5 中所示的的插入损耗表明在此区间内所有的插入损耗都低于 0.5dB。 0087 图 6 为自由空间工作波长为 4.05a 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分。

30、别为 no=4.924 与 ne=6.368。通过有限元软件 COMSOL 进行计算，得到的光场模拟图。可以观察到， TE 及 TM 波分别高效地在各自的通带传播，经过十字交叉光桥且不互相干扰，并且具有极高的消光比和偏振度以及极低的插入损耗。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 6（a）、（b）。 0088 其中图 6（a）、（b）为实现上述功能（1）时的光场模拟实验图。即入射端口 1 为高纯度 TM 光信号，入射端口 2 为高纯度 TE 光信号。图 6 中（a）为整个场的 TE 分。

31、量强度分布图，（b）为整个场的 TM 分量强度分布图。可以观察到，无论是 TE 信号还是 TM 信号都经过本十字光桥后几乎保持原有强度而继续传播，同时在十字交叉部分不产生任何串扰。 0089 其中图 6（c）为实现上述功能（4）时的光场模拟实验图。即入射端口 1、 2 同为高纯度 TE 光信号。从图中可以看到， TE 波从上方端口 4 导出；而右方端口 3 无光信号导出。 0090 其中图 6（d）为实现上述功能（3）时的光场模拟实验图。即入射端口 1、 2 同为高纯度 TM 光信号。从图中可以看到， TM 波从右方端口 3 导出；而上方端口 4 无光信号导出。

32、。 0091 限于篇幅，功能（2）与功能（5）的模拟实验结果不再在此赘述，完全可以从图 6 实现的（1）、（3）和（4）三个功能的实验结果推论出来。 0092 本发明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两列的方式形成波导，使 TE、 TM 光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柱的 e 光光轴方向要满足与圆柱体的轴线方向一致。工作波长可以在不考虑色散或色散可忽略的情况下通过介质柱间晶格常数来调节。 0093 比如，如果器件需要在5m附近波段工作，假设不考虑工作波长调至5m导致的色散，则可以通过。

33、式（11）将晶格常数放大 1.25 倍，即 a=1.25m。此时，禁带波长范围变为说明书 CN 103901537 A 8 7/7 页 9 4.866 至 5.279。本器件的光桥特性将与图 6 展示的结果相同。由于碲介质在 3.5 35m 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 5m 处实际的色散条件（即 no=4.8657 与 ne=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。即当工作波长为 5m 时， TE 通路中 TE 波的消光比为 65.71dB，偏振度为。

34、 0.9999，插入损耗为 0.05dB ； TM 通路中 TM 波的消光比为 81.40dB，偏振度为 0.9999，插入损耗为 0.16dB。可见本发明具有易于灵活运用的特性。图 7 为上述 5m 工作波长输入的情况下，在端口 1 与端口 2（参见图 1）分别输入 TM、 TE 信号后，如图 7（a）所示的光桥中 TE 分量的分布图以及如图 7（b）所示的光桥中 TM 分量的分布图。 0094 以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。说明书 CN 103901537 A 9 1/4 页 10 图 1 说明书附图 CN 103901537 A 10 2/4 页 11 图 2 图 3 说明书附图 CN 103901537 A 11 3/4 页 12 图 4 图 5 说明书附图 CN 103901537 A 12 4/4 页 13 图 6(a)图 6(b) 图 6(c)图 6(d) 图 7(a)图 7(b) 说明书附图 CN 103901537 A 13 。

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