[發明專利]基于光子晶體駐波諧振的分束方法

有效

• 申請號: 201510012920.X
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104570206B
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 董國艷
• 申請（專利權）人: 中國科學院大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/125;G02B27/10
• 代理公司: 濟南日新專利代理事務所37224
• 代理人: 王書剛

技術領域

本發明涉及一種電磁波或光波分束的方法，屬于電磁波或光波分束技術領域。

背景技術

分束器是一種使輸入電磁波或光波分成兩束或若干束光的光學器件，在光集成、光互連、圖像處理及光學測量等現代科技領域有著廣泛的應用。傳統光學分束器是使光波通過特定材料(薄膜、晶體、光柵等)發生反射和折射而制成的，這種分束器的缺點是一束光只能分出兩束出射光，要得到多束出射光需要進行多分光，造成光路復雜、體積龐大、光功率損耗嚴重；雙折射光學分束器利用光學材料的雙折射性質，使具有不同偏振態的光波因折射率不同而產生分光效應，利用該性質人們已經制作了渥拉斯頓棱鏡和菲涅爾棱鏡等偏振光分束器，并被廣泛應用，但這種分束器只能把不同偏振態的入射波分為兩束偏振光，同樣不能實現多路同時輸出；波導分束器是微波段光路中常用的分波裝置，被廣泛應用于集成光學技術領域，這種波導分束器可以是金屬波導也可以是光子晶體中引入線缺陷和點缺陷的光子晶體波導，這種波導分束器通常采用Y型平面設計，很難在三維空間同時得到N束輸出光波；二元光學分束器是一種純相位衍射的光學分束設備，能夠將一束入射激光轉換成為強度均勻的光束陣列，具有多重成像、光互連、光耦合及光束復合等功能，但是由于這種分束器受到加工工藝不成熟的限制，成本較高，并且該分束器僅適用于單一波長的光束分束。

全介質基光子晶體作為一種新型的人造介質材料以其優良的性能和潛在的科學價值使之成為物理學、光子學、電磁場理論、材料科學、納米技術非常熱門的研究領域。光子晶體的周期性結構能夠賦予材料獨特的光學特性,通過對其空間結構和介電性質的調制，能夠在較大范圍內對所傳播的電磁波或光波的傳輸性質進行調控,被認為是未來光子晶體器件在光信息領域走向實用化的突破口。

發明內容

本發明的目的在于針對現有電磁波或光波分束技術存在的不足，提供一種簡單方便、能在二維和三維空間進行多光束分束，并可以根據實際需要控制不同波段的分光數目和強度，出射光相位差精確鎖定為0或π的基于光子晶體駐波諧振的分束方法。

本發明的基于光子晶體駐波諧振的分束方法，是利用光子晶體的空間周期性陣列對需要分光的入射波進行傳播性質調制，使其沿光子晶體塊體的徑向入射，通過在出射面位置安放高反射鏡使入射波和反射波在光子晶體塊體中發生干涉疊加，形成波節位置固定的穩定駐波諧振，適當控制光子晶體塊體的徑向長度，使入射波和反射波在光子晶體的徑向入射界面位置干涉相消，入射波能量只能通過光子晶體塊體側面的駐波波腹開口位置出射，最終得到空間對稱的相位差為0或π的多束分束光，并且相鄰波腹位置的分束光的相位差精確鎖定為π；具體包括以下步驟：

(1)選取光子晶體陣列：

選取一種光子晶體陣列，該光子晶體陣列的空間結構能夠使需要分束的入射波(電磁波或光波)在所述光子晶體中傳播，且需要分束的入射波在光子晶體中的有效波長λ大于其在真空中的波長λ₀；

通常傳導光波的波長與光子晶體的周期尺寸相當，通過改變光子晶體陣列的晶格周期尺寸和組成材料的介電常數可實現不同波段入射波的傳播，可采用多種制備方法，如光波段可采用光學全息、自組裝或光刻蝕技術，微波波段可采用堆砌法或微加工技術得到光子晶體陣列。

光子晶體陣列在光波段較簡單的制備方法可利用膠體微球自組裝技術得到面心立方結構的光子晶體，或將得到的周期晶格結構作為模板，填充其它材料(如硅和二氧化硅)而得到高介電常數比的光子晶體。在微波段可直接利用Al₂O₃或GaAs介質棒或介質球插入空氣背景中得到具有空間周期對稱性的光子晶體陣列。

(2)制備光子晶體塊體：

對選取的光子晶體陣列進行切割，沿其晶格周期方向進行縱向出射界面切割，徑向入射界面和出射界面相互平行，并與縱向出射界面垂直，得到形狀為長方體的光子晶體塊體；光子晶體塊體的徑向長度為l＝(N+1/2)λ，λ為需要分束的入射波在光子晶體中的有效波長，N為0或正整數，光子晶體塊體的縱向寬度與入射波源寬度等寬；

(3)組成分束器：

將光子晶體塊體放置于金屬或光子晶體缺陷波導中，在與光子晶體塊體徑向入射界面相對的出射界面處放置一高反射鏡，二者(光子晶體塊體與高反射鏡)組合成為分束器；

(4)分束過程：

需要分束的入射波沿光子晶體塊體徑向垂直入射，在高反射鏡處反射形成反射波，入射波與反射波在光子晶體中疊加形成波節固定的駐波諧振，在光子晶體側面的縱向出射界面的波腹位置得到出射的分束光(多束)。