專利名稱：基于光子晶體正負折射的偏振分束器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及偏振分束器件，特別是一種基于光子晶體正負折射的偏振分束器。
背景技術：
光子晶體(Photonic Crystal)是一種人工制作的周期性結構[J.D.Joannopoulos，Photonic crystalsMolding the flow of light，Princeton，1995]，利用介質(zhì)材料如氧化鋁、二氧化硅、硅、砷化鎵、磷化銦等制作的二維周期性結構，也可以是在介質(zhì)背景中二維周期性分布的金屬柱子陣列。所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個柱子的中心的連線構成等腰直角三角形的正方晶格，或構成等邊三角形的三角晶格。最短連線的長度稱為晶格常數(shù)。因為微波和光波同為電磁波，它們的行為同樣遵循Maxwell方程，所以光子晶體可以應用在微波段和光波段，只是兩個波段的尺寸大小不同。
對于普通的材料，電磁波束在不同材料的界面上發(fā)生的是正折射，即，入射波[如光子晶體，M.Notomi，Theory oflight propagation in strongly modulatedphotonic crystalsRefractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap，Phys.Rev.B 62，10696，2000]與周圍環(huán)境(如普通材料或空氣)的界面上，電磁波束可以發(fā)生負折射，即，入射波束和折射波束在界面法線的同一側(cè)。
文獻[S.Kim，Opt.Lett.28，2384，2003]利用光子晶體的不同偏振態(tài)的禁帶位置不同設計了一種偏振分束器，即一個偏振態(tài)的電磁波束可以透過光子晶體，而另一個偏振態(tài)的電磁波束被反射。文獻[X.Y.Chen，Chinese Phys.Lett.21，1285，2004]設計了光子晶體線缺陷Y型分支波導，一個分支波導透過一個偏振態(tài)的電磁波而反射另一個偏振態(tài)的電磁波，另一個分支波導則反過來。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種基于光子晶體正負折射的偏振分束器。
本實用新型采用的技術方案是一、基于光子晶體正負折射的偏振分束器，有二種結構形式1)在襯底上的介質(zhì)材料中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構成光子晶體。
2)在襯底上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列構成光子晶體。
所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個柱子的中心的連線構成等腰直角三角形的正方晶格，或構成等邊三角形的三角晶格。
所述的陣列的形狀為長方形或三角形。
二、基于光子晶體正負折射效應的偏振分束方法以長方形或三角形的光子晶體，作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波波束含有兩個偏振態(tài)，從環(huán)境界面入射后，其中一個偏振態(tài)的電磁波束在環(huán)境界面上經(jīng)歷負折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面的法線的同一側(cè)；另一個偏振態(tài)的電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束分別位于法線的兩側(cè)，從而把兩個偏振態(tài)的電磁波波束分開，實現(xiàn)偏振分束。
入射電磁波波束與法線的夾角為10°～80°。
本實用新型具有的有益的效果是本器件利用光子晶體實現(xiàn)了偏振分光，兩個偏振態(tài)的電磁波束都工作在透射模式，具有小尺寸、易于集成、工藝簡單等優(yōu)點，可以用于微波段和光波段。


圖1是介質(zhì)材料中柱子陣列構成的平板形光子晶體偏振分束器的結構原理示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是三角形偏振分束器的結構原理示意圖；圖4是空氣中柱子陣列構成的平板形光子晶體偏振分束器的結構原理示意圖；圖5是圖4的B-B剖視圖；圖6是光子晶體能帶結構特征示意圖；圖7是氧化鋁中三角晶格排列的銀圓柱陣列構成的光子晶體的能帶結構，黑圓圈代表TE偏振，黑方塊代表TM偏振；圖8是空氣中三角晶格排列的砷化鎵圓柱陣列構成的光子晶體的能帶結構，(a)TE偏振，(b)TM偏振。
圖中1、平板形狀，2、三角形狀，3、入射電磁波波束，4、折射電磁波波束，5、折射電磁波波束，6、環(huán)境界面，7、法線，8、介質(zhì)材料，9、襯底，10、介質(zhì)材料柱子陣列。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，在襯底9上的介質(zhì)材料8中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構成光子晶體。
如圖4、圖5所示，在襯底9上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列10構成光子晶體。
所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個柱子的中心的連線構成等腰直角三角形的正方晶格，或構成等邊三角形的三角晶格。
所述的陣列的形狀為長方形1(如圖1、圖4所示)或三角形2(如圖3所示)。
所述的介質(zhì)材料板的材料為氧化鋁、二氧化硅、硅、砷化鎵或磷化銦。
基于光子晶體正負折射效應的偏振分束方法以長方形1或三角形2的光子晶體，作為電磁波的偏振分束元件，入射電磁波波束3含有兩個偏振態(tài)，從環(huán)境界面6入射后，其中一個偏振態(tài)的電磁波束在環(huán)境界面上經(jīng)歷負折射，入射電磁波波束3和折射電磁波波束4在光子晶體與環(huán)境界面6的法線7的同一側(cè)；另一個偏振態(tài)的電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面6上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束3和折射電磁波波束5分別位于法線7的兩側(cè)，從而把兩個偏振態(tài)的電磁波波束分開，實現(xiàn)偏振分束。
入射電磁波波束3與法線7的夾角為10°～80°。
本實用新型涉及的光子晶體，其工作頻率范圍內(nèi)的能帶特征具有圖6的特征，即，對于偏振態(tài)I來說，隨著波矢增大頻率減小，光子晶體對這個偏振態(tài)表現(xiàn)出負折射效應；對于偏振態(tài)II來說，隨著波矢增大頻率也增大，光子晶體對這個偏振態(tài)表現(xiàn)出正折射效應。能帶具有圖6的特征的光子晶體就是本實用新型的偏振分束元件。把光子晶體切成平板型或三角形，入射電磁波波束在一個界面上斜入射就可以實現(xiàn)偏振分束。
實施例1基于介質(zhì)背景銀納米線陣列的偏振分束器這里的光子晶體是氧化鋁背景中三角晶格排列的銀圓柱陣列，晶格常數(shù)a＝300nm。當銀圓柱半徑r＝0.255a時，該光子晶體在頻率ω＝0.40(2πc/a)時，TE偏振的等效折射率是-1而TM偏振的等效折射率是+1，相應的能帶結構如圖7。
實施例2基于介質(zhì)圓柱陣列的偏振分束器這里的光子晶體是空氣中三角晶格排列的砷化鎵圓柱陣列，晶格常數(shù)a＝1155nm，圓柱半徑r＝0.15a。圖8給出了這種光子晶體的能帶結構，工作頻率為ω＝0.75-0.79(2πc/a)。TE偏振工作在負折射，而TM偏振是正折射。
權利要求1.基于光子晶體正負折射的偏振分束器，其特征在于在襯底(9)上的介質(zhì)材料(8)中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構成光子晶體。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體正負折射的偏振分束器，其特征在于所述的二維周期性排列是指陣列中任何相鄰的三個柱子的中心的連線構成等腰直角三角形的正方晶格，或構成等邊三角形的三角晶格。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體正負折射的偏振分束器，其特征在于所述的陣列的形狀為長方形(1)或三角形(2)。
4.基于光子晶體正負折射的偏振分束器，其特征在于在襯底(9)上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列(10)構成光子晶體。
5.根據(jù)權利要求4所述的基于光子晶體正負折射的偏振分束器，其特征在于所述的二維周期性是指，陣列中任何相鄰的三個柱子的中心的連線構成等腰直角三角形的正方晶格，或構成等邊三角形的三角晶格。
6.根據(jù)權利要求4所述的基于光子晶體正負折射的偏振分束器，其特征在于所述的陣列的形狀為長方形(1)或三角形(2)。
專利摘要一種基于光子晶體正負折射的偏振分束器。在襯底上的介質(zhì)材料中二維周期性排列的空氣柱子陣列，或金屬柱子陣列，或另一種介質(zhì)材料柱子陣列構成光子晶體；或在襯底上以二維周期性排列的金屬柱子陣列或介質(zhì)材料柱子陣列構成光子晶體。入射電磁波波束從環(huán)境界面入射后，一個在環(huán)境界面上經(jīng)歷負折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束在光子晶體與環(huán)境界面的法線的同一側(cè)；另一個在環(huán)境界面上經(jīng)歷正折射，入射電磁波波束和折射電磁波波束分別位于法線的兩側(cè)，把兩個偏振態(tài)的電磁波波束分開，實現(xiàn)偏振分束。本實用新型利用光子晶體實現(xiàn)了偏振分光，兩個偏振態(tài)的電磁波束都工作在透射模式，具有小尺寸、易于集成、工藝簡單等優(yōu)點，可以用于微波段和光波段。
文檔編號G02B27/28GK2842451SQ20052001364
公開日2006年11月29日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權日2005年7月29日
發(fā)明者何賽靈, 敖獻煜 申請人:浙江大學