CN103955058A

CN103955058A - 利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器

Info

Publication number: CN103955058A
Application number: CN201410190384.8A
Authority: CN
Inventors: 王晨; 李志远
Original assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Current assignee: Laser Institute of Shandong Academy of Science
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2014-07-30

Abstract

一种利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器，包括硅板上由光子晶体排布而成的第一光子晶体区和第二光子晶体区，第一光子晶体区和第二光子晶体区形成一个长方形光子晶体矩阵；设置于第一光子晶体区左侧的第一入出射硅波导，设置于第二光子晶体区右侧的第二入出射硅波导，所述光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，第一光子晶体区的空气孔半径为r₁，第二光子晶体区的空气孔半径为r₂，满足0＜2r₁＜2r₂＜a＜500nm；第一光子晶体区与第二光子晶体区分界线与第一入出射硅波导的水平中心线的夹角为45度；第一光子晶体区与第二光子晶体区未连接波导的上下两面均作吸光处理。本发明不使用任何外加电场、磁场，也不借助任何电光、磁光、非线性效应，光隔离效果良好，易于集成。

Description

利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器

技术领域

本发明涉及光波的单向隔离，具体涉及了利用光子晶体方向带隙实现光波的正向通过和反向隔离。

背景技术

光隔离器是光纤通信***和精密光学测量***中常用到的一种光学器件。在光路中它的主要作用是阻止光被其他物体反射回来沿原路的传播。在光纤通信中,当光纤与激光器耦合时,其端面或接头处的反射将影响激光器的稳定性。这在高速光纤通信***,相干光纤通信***,频分复用光纤通信***,光纤有线电视***以及精密光学测量***等的应用中是一个重要问题。为了消除反射波对激光器的影响,需要在激光器与光纤之间加光隔离器；在光纤放大器中,光隔离器主要用来防止反射光引起信号光源或泵浦光源的波动,并保证信号在放大器内单向传输。一般来说一个光纤放大器中应至少采用两个光隔离器,有些光纤放大器在掺铒光纤前后各使用两个光隔离器以提高放大器的性能。另外,利用光隔离器还可以提高泵浦光的泵浦效率,同时防止输出光返回到光纤放大器中产生不良的干扰；在光谱分析实验中,如果发光材料发出的光又被外界物质反射到发光材料上,那么我们所测量到的结果就不能如实地反映发光材料在我们所设定的外界条件下本应该具有的某些性质,为了消除这些外界的干扰,我们常在发光材料和测量仪器之间加一光隔离器。

光子晶体是E. Yablonovitch与S. John于1987年在研究如何控制材料的自发辐射性质时分别提出的新概念和新材料。光子晶体之所以被称为“晶体”是因为，光子晶体是一种折射率周期性排布的介质结构，就像在固体中原子的排列一样，具有周期性。所谓光子晶体就是两种或两种以上介质在空间上的周期性排列组成的一种人工晶体而且其中的结构呈周期性规则排列，因而存在光子能带和光子能隙。正是因为光子晶体的结构与真正晶体具有相似性，所以光子晶体的光学特性有些类似于半导体的电学性质。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制波长和其晶格常数可比拟的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构。能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。一定频率范围内的电磁波，如果正好位于光子带隙内，在光子晶体的特定方向上就会被强烈反射，不能通过，而其它频率的电磁波能够通过光子晶体。光子带隙是光子晶体最重要的特性，也是光子晶体受到科学家们青睐的重要原因。

而随着光通信技术的进一步发展和光子晶体研究热潮的兴起,光隔离器的用途越来越广泛。与此同时,人们对光隔离器的各项特性指标也提出了更高的要求。然而现今光隔离器，普遍采用法拉第旋转效应、磁光效应、电光效应或材料的非线性效应，材料成本均较高，且不易集成，受外界磁场、电场影响较明显，因而一种不依赖外界磁场且成本较低、易于集成的光隔离器结构就显得非常必要。

发明内容

本发明提出了一种新型的结构来实现光波的正向通过与反向隔离。

本发明所采取的技术措施是：一种利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器，包括设置于220nm厚度的硅板上由光子晶体排布而成的第一光子晶体区和第二光子晶体区，第一光子晶体区与第二光子晶体区形状形成一个整体的长方形光子晶体矩阵；设置于第一光子晶体区左侧的第一入出射硅波导，设置于第二光子晶体区右侧的第二入出射硅波导，所述光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，第一光子晶体区的空气孔半径为r₁，第二光子晶体区的空气孔半径为r₂，满足0＜2r₁＜2r₂＜a＜500nm；第一光子晶体区与第二光子晶体区分界线与第一入出射硅波导的水平中心线的夹角为45度；第一光子晶体区与第二光子晶体区的未连接波导的上下两面3均作吸光处理，使得杂散光与二次全反射光在到达未连接波导的上下两面3时被吸收，不会对结构性质造成额外的影响。

例如当r₁=0.30a、r₂=0.45a时，向第一入出射硅波导A输入能量为100%，从第二入出射硅波导B输出为5.1%；而向从第二入出射硅波导B输入能量同样为100%时，第一入出射硅波导A仅测出0.7%左右的信号能量，信号对比度0.759。

本方案的具体特点还有，第一光子晶体区与第二光子晶体区的未连接波导的上下两面通过聚焦离子束沉积钨线或铂线以形成光吸收面，这两种金属对光有强吸收作用，使得杂散光与二次全反射光在到达各侧面时被吸收，不会对结构性质造成额外的影响。

特别的，可以取晶格常数a为400nm；第一光子晶体区的空气孔半径为r₁=110nm(r₁=0.24a)，第二光子晶体区的空气孔半径为r₂=160nm(r₂=0.36a)，针对1570nm通讯波段红外光光波实现光隔离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明光隔离效果的实现不依赖外界电场、磁场，也不受到外界电场、磁场的干扰，不会对周围环境造成其他不可预估的影响，省去稀土材料制造永磁体的成本，使用寿命也比依赖永磁体寿命的普通光隔离器要长。

2、本发明成本较低，所用材料仅为普通硅板，材料不使用磁光、电光、非线性效应，不需特别处理，制造仅依赖成熟的微纳硅加工技术即可。

3、本发明易于集成，仅需等比例放大或缩小结构，便可适配各种光路***，且与现今集成电路、光路***所用材料相同，易于耦合。

附图说明

图1是根据本发明实施例的用于实现光隔离器的具体施例1的正视图；图2是根据本发明实施例的用于实现光隔离器的具体施例1的正反向光光强图；图3是根据本发明实施例的用于实现光隔离器的第一光子晶体区的能带图；图4是根据本发明实施例的用于实现光隔离器的第二光子晶体区的能带图；图5是根据本发明实施例的用于实现光隔离器的具体施例2正视图；图6是根据本发明实施例的用于实现光隔离器的具体施例2的正反向光光强图。

图中：1-第一光子晶体区；2-第二光子晶体区；A-第一入出射硅波导；B-第二入出射硅波导；3-未连接波导的上下两面。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和两个具体发明实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细阐述。本发明的工作原理如说明书附图中图1所示。工作区域为正向光从第一入出射硅波导A进入，从第二入出射硅波导B收集；反向光从第二入出射硅波导B进入，从第一入出射硅波导A收集。本发明就是通过利用第一光子晶体1与第二光子晶体区2在沿波导方向与45度交界面方向的方向带隙不同搭配的设计实现对光波在正向与反向的通过与隔离效果。图3、4表示第一光子晶体区1和第二光子晶体区2的能带。第二光子晶体区2的能带在水平的X方向和45度的M方向之间存在一个方向带隙[图4]，而第一光子晶体区1在这个频率范围内是全方向导带 [图3]，即在此工作频率范围之内，第一光子晶体区1为全方向透明的，而第二光子晶体区2仅在M方向是透明的，X方向是阻隔的。本发明结构中出现光隔离现象涉及两个要素：（I）第二光子晶体区2的方向带隙；（II）第一光子晶体区1的全方向导带，可总结为：

1）正向光。光从第一入出射硅波导A进入后，可以沿X方向穿过第一光子晶体区1到达第二光子晶体区2时，由于第二光子晶体区2的X方向的禁带不能继续沿原方向传播，但可以沿着平行于M方向进入第二光子晶体区2，并最终穿过第二入出射硅波导B输出。

2）反向光。当光从第二入出射硅波导B进入后，由于X方向的禁带，只能沿M方向传播，其中一部分到达第一光子晶体区1后由于第一光子晶体区1是全方向导带，只能继续沿M方向传播而到达未连接波导的上下两面3被吸收，因而不能从第一入出射硅波导A输出。该发明实施例利用了本发明提出的结构将波长为1570nm的通讯波段红外光光波实现正向通过反向隔离。

实施例1

图1示出了本发明的一个实施例的光隔离器。第一光子晶体区1的材质为220nm厚度的硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数a为440nm，第一光子晶体区1的空气孔半径为r₁=110nm(r₁=0.24a)，形状为等腰直角三角形，包含第一入出射硅波导A。第二光子晶体区2与第一光子晶体区1的尺寸结构完全相同，同为220nm厚度的硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数a为440nm，形状为与第一光子晶体区1互补的等腰直角三角形，形成一个整体的长方形光子晶体矩阵，只是第二光子晶体区2的空气孔半径为r₂=160nm(r₂=0.36a)，包含第二入出射硅波导B。

下面结合附图，以波长为1570nm的红外光作为入射光波，分别描述上述实施例的光隔离器实现正向传输和反向隔离的原理。

参考图1，建立坐标系，对于实现光波正向通过的情况，在上所述的坐标系下,光从第一入出射硅波导A能够进入第一光子晶体区1，到达交接面出发生折射并进入第二光子晶体区2，最终从第二入出射硅波导B出射，从而实现正向光波的通过。

对于实现光波反向隔离的情况，在所述的坐标系下，光从第二入出射硅波导B进入，遇到第二光子晶体区2的X方向禁带，光从M方向被未连接波导的上下两面3吸收，因而不能从第一入出射硅波导A出射，从而实现光波的反向隔离。

在基于上述实施例的实际测试中，向光隔离器正向输入能量为100%时，输出为6%，而向光隔离器反向输入能量同样为100%时，另一端仅测出0.5%左右的信号能量，信号对比度达到0.846。

实施例2

图3示出了本发明的另一个实施例的光隔离器，第二光子晶体区2的材质为220nm厚度的硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数a为440nm，第二光子晶体区2的空气孔半径为r₂=160nm，形状为等腰直角三角形。第一光子晶体区1材质也为220nm厚度的硅板，光子晶体为正方晶格，晶格常数a为440nm，形状为与第二光子晶体区2形成一个整体的长方形光子晶体矩阵，第一光子晶体区1的空气孔半径为r₁=110nm，包含第一入出射硅波导A。在基于上述实施例的实际测试中，向光隔离器正向输入能量为100%时，输出为13%，而向光隔离器反向输入能量同样为100%时，另一端仅测出0.25%左右的信号能量，信号对比度达到0.92。

至此，本发明中利用光子晶体方向带隙实现光隔离器的具体实施过程已被完整地展示。

Claims

1.一种利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器，其特征是它包括设置于220nm厚度的硅板上由光子晶体排布而成的第一光子晶体区和第二光子晶体区，第一光子晶体区和第二光子晶体区形成一个长方形光子晶体矩阵；设置于第一光子晶体区左侧的第一入出射硅波导，设置于第二光子晶体区右侧的第二入出射硅波导，所述光子晶体为正方晶格，晶格常数为a，第一光子晶体区的空气孔半径为r₁，第二光子晶体区的空气孔半径为r₂，满足0＜2r₁＜2r₂＜a＜500nm；第一光子晶体区与第二光子晶体区分界线与第一入出射硅波导的水平中心线的夹角为45度；第一光子晶体区与第二光子晶体区未连接波导的上下两面均作吸光处理。

2.根据权利要求1所述的利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器，其特征是第一光子晶体区与第二光子晶体区的未连接波导的上下两面通过聚焦离子束沉积钨线或铂线以形成光吸收面。

3.根据权利要求1所述的利用光子晶体方向带隙实现的光隔离器，其特征是晶格常数a为400nm；第一光子晶体区的空气孔半径为r₁=110nm，第二光子晶体区的空气孔半径为r₂=160nm。