[發明專利]二維光子晶體自準直馬赫－曾特爾干涉儀及其設計方法

無效

• 申請號: 200710037990.6
• 申請日: 2007-03-12
• 公開（公告）號: CN101266337A
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 蔣尋涯;趙德印;陳曦耀;張潔;姚培軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G01B9/02
• 代理公司: 上海光華專利事務所
• 代理人: 鄭瑋;余明偉

技術領域

本發明提供了一種二維光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀及其設計方法，屬于光電子、光通信等技術領域。

技術背景

近些年來，光子晶體自準直現象和它在集成光路中的應用前景引起了人們的廣泛關注。不同于線缺陷型光子晶體波導機制，利用光子晶體自準直效應，光束就可以克服衍射發散而幾乎完全準直地向前傳播。人們從理論上對自準直效應進行了深入研究，并且在實驗上也得到證實。它來源于光子晶體獨特的色散性質，即等頻圖上在特定的頻率區間和很大張角范圍內存在著非常平坦的等頻率面。由于光波能量的傳播總是垂直于等頻面，這一頻率區間的光波在光子晶體內將只沿著垂直等頻面的方向傳播。為了能夠實際應用，人們提供了簡單有效的自準直光束彎折和分束機制。利用光子晶體-空氣界面作為內全反射鏡使自準直光束發生90°的彎折。對分束機制，可以利用改變兩塊近鄰光子晶體之間的距離或者改變線缺陷上介質柱或空氣孔的半徑來調節能量分束比。除自準直分束器之外，這些反射和分束機制容易用來設計其他光學器件。

現有的光子晶體馬赫-曾特爾干涉儀、光強探測器、光開關都是利用光子晶體線缺陷作為波導引導光束的傳播，沒有利用自準直效應來引導光束的傳播。

現有技術也有采用線缺陷作為分束器和反射鏡，但沒有將線缺陷和自準直效應結合起來設計干涉儀、光強探測器、光開關的。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種二維光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀及其設計方法，該干涉儀避免了光子晶體波導型干涉儀中存在的波導耦合問題，同時使得分束器的分束比容易控制。

所述的二維光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀設計方法，包括如下步驟：

步驟1、選定材料，確定材料折射率，選擇正方晶格光子晶體的類型，確定結構參數；

步驟2、利用平面波展開法計算該結構的等頻圖，得到具有自準直現象的電磁波模式；其特征在于，還包括：

步驟3、在光子晶體引入線缺陷作為分束器和全反射鏡，構成光子晶體馬赫-曾特爾干涉儀；

進一步地，還包括：

步驟4、利用有限時域差分方法數值分析該干涉儀的工作原理，給出其數學模型。

所述的引入線缺陷作為分束器是指：改變一排介質柱或空氣孔，該介質柱或空氣孔的排列方向為與X軸夾角為45度的方向。

所述的改變介質柱或空氣孔是指改變一排介質柱或空氣孔的半徑或折射率，使其不同于主體介質柱或空氣孔。

所述的引入線缺陷作為全反射鏡是指：在與X軸夾角為45度的方向上挖去一排或多排介質柱或空氣柱。

所述的分束器的分束比之和為1。

進一步地，本發明還提供一種光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀，包括光子晶體、分束器和全反射鏡，所述的分束器和全反射鏡均為光子晶體內的線缺陷且光束在晶體內自準直傳播。

進一步地，本發明提供的光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀可以用作光強探測器或光開關，其特征在于，所述的光強探測器或光開關是在構成干涉儀的材料中引入非線性效應。

本發明的光子晶體自準直干涉儀、光強探測器、光開關的優點在于光束在光子晶體中自引導不需要導波結構，分束和彎折機制簡單，而且避免了光子晶體波導型干涉儀中存在的波導耦合問題，此外還有分束器的分束比容易控制，結構體積小等特點。

基于光子晶體波導型馬赫-曾特爾干涉儀、光強探測器、光開關集成光子器件的應用前景已經受到了人們極大的關注，目前人們已經設計了馬赫-曾特爾干涉儀偏振分束器、全光開光、波分復用器等光子晶體器件。與波導型的光子晶體干涉儀一樣，我們設計的光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀、光強探測器、光開關也有著廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1光子晶體結構示意圖；

圖2該結構的TM模式等頻圖，粗實線f_sc代表自準直模式；

圖3分束器的反射率和透射率；

圖4二維光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀結構圖，虛線框部分代表自準直波導Wg_sc；

圖5該干涉儀工作時的瞬態電場分布圖。

圖6該干涉儀用作光強探測器或光開關時的瞬態電場分布圖。

具體實施方式

本發明提供一種二維光子晶體自準直馬赫-曾特爾干涉儀、光強探測器、光開關的設計方法，包括如下步驟：

1、選定材料，確定材料折射率，選擇正方晶格光子晶體的類型，確定結構參數；