許曉賦,鄭彥敏,魏茂金,鄭冬梅,肖榮輝

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建 三明 365004；2.福建師范大學(xué)激光與光電子技術(shù)研究所，福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007）

蜂窩晶格光子晶體偏振分束器的設(shè)計(jì)

許曉賦1,鄭彥敏2,魏茂金1,鄭冬梅1,肖榮輝1

（1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,福建 三明 365004；2.福建師范大學(xué)激光與光電子技術(shù)研究所，福建省光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，醫(yī)學(xué)光電科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350007）

∶提出一種基于二維蜂窩晶格光子晶體介質(zhì)柱型微環(huán)偏振分束器，并運(yùn)用二維時(shí)域有限差分方法數(shù)值分析了該環(huán)形諧振腔外圍周期和環(huán)區(qū)局部折射率調(diào)制對(duì)下路效率、品質(zhì)因子以及下路波長(zhǎng)等參量的影響。結(jié)果表明，對(duì)于TM偏振光，垂直外圍周期d對(duì)波長(zhǎng)的影響比較明顯；對(duì)于TE偏振光，水平外圍周期L對(duì)其下路效率和品質(zhì)因子的影響比較明顯，而d對(duì)下路波長(zhǎng)的影響比較明顯。同時(shí)，當(dāng)環(huán)區(qū)局部折射率從3．39變化到3．46時(shí)，對(duì)于TM/TE偏振光，其波長(zhǎng)位置基本保持一致。

光通信；光子晶體微環(huán)腔；介質(zhì)柱；時(shí)域有限差分

光學(xué)偏振分束器件，是一種將光分成兩種互相垂直的偏振光的基本光學(xué)裝置，其廣泛應(yīng)用于光傳感[1]、光儲(chǔ)存[2]、光成像[3]和光通信[4]等領(lǐng)域。通常，它們可以通過(guò)多層薄膜[5]、雙折射晶體[6]和光纖[7]上實(shí)現(xiàn)。然而，基于這些機(jī)理制作的器件尺寸一般介于毫米和厘米數(shù)量級(jí)之間，難以滿(mǎn)足納米量級(jí)器件的小型化要求。另一方面，光子晶體[8]是一種人工介電常數(shù)周期性排列的結(jié)構(gòu)，其具有獨(dú)特的波長(zhǎng)尺度的控光能力已引起人們的注意。迄今為止，基于光子晶體的各種光偏振分束器件屢見(jiàn)報(bào)道，其機(jī)理概括主要有負(fù)折射[9]、導(dǎo)模共振[10]、光子晶體和傳統(tǒng)波導(dǎo)混合的導(dǎo)模機(jī)制[11]、定向耦合[12]、多模干涉[13]、自準(zhǔn)直[14]及光子晶體環(huán)形諧振腔[15]等。須指出的是，目前報(bào)道的光子晶體偏振分束器很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)TE/TM偏振態(tài)的消光比達(dá)20 dB，進(jìn)而限制了其實(shí)際應(yīng)用。

由于光子晶體微環(huán)諧振腔[16-17]具有潛在的環(huán)大小可伸縮、耦合性靈敏和傳播損耗不受環(huán)大小影響等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種優(yōu)良的超小型光子集成光路組件。本文基于蜂窩晶格光子晶體微環(huán)腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的偏振分束器，使其可同時(shí)實(shí)現(xiàn)TE/TM偏振態(tài)的消光比達(dá)20 dB。運(yùn)用二維時(shí)域有限差分方法對(duì)蜂窩晶格PCRR結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，分析該環(huán)形諧振腔外圍周期和環(huán)區(qū)局部折射率調(diào)制對(duì)偏振分束器件的下路效率、品質(zhì)因子以及下路波長(zhǎng)等參量的影響。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為本文提出的基于光子晶體微環(huán)的硅介質(zhì)柱形偏振分束器的結(jié)構(gòu)示意圖，其晶格結(jié)構(gòu)為蜂窩晶格（主要考慮了該結(jié)構(gòu)可以擁有相對(duì)較大的TE/TM共同帶隙），公共通道波導(dǎo)W1如AB端口是通過(guò)沿ΓΜ方向移除幾排蜂窩柱子形成，兩個(gè)微環(huán)即圖中的兩個(gè)中心蜂窩結(jié)構(gòu)是通過(guò)剔除相鄰的外圍部分柱子形成，環(huán)中心的兩個(gè)相鄰硅柱子，標(biāo)記為紅色，如右邊插圖所示，主要用于調(diào)諧使得同波長(zhǎng)的不同偏振態(tài)的光分別從不同下路端口如C和D分離出來(lái)（這里規(guī)定入射端口與出射端口分別標(biāo)為A、B、C、D），即可實(shí)現(xiàn)該波長(zhǎng)的偏振分束。簡(jiǎn)便起見(jiàn)，不妨保持其中心位置而只修改其大小標(biāo)記為rc，如rc=0.9r。圖中a為晶格常數(shù)，r為周邊沒(méi)有修改的硅介質(zhì)柱半徑，W 1波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔的外圍周期沿著x和y分別為12和4，即：L=12蜂窩和d=4蜂窩。對(duì)于近紅外波段，硅是透明傳輸?shù)模圆环良僭O(shè)其折射率nsi=3.42,空氣的折射率nair=1。為提高下路效率，上述W 1的寬度需要壓縮進(jìn)而使其保持單模傳輸。介質(zhì)柱半徑r和晶格周期a的比例為0.24。對(duì)于1550 nm通信波長(zhǎng)，晶格常數(shù)a取860 nm。

圖1 二維蜂窩晶格光子晶體PCRR結(jié)構(gòu)示意圖

2 數(shù)值模擬及討論

圖2所示為圖1結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)參數(shù)基于二維時(shí)域有限差分方法數(shù)值求得的三端口強(qiáng)度譜和場(chǎng)圖。圖2（a）為當(dāng)rc=0.9r時(shí)，B、C、D輸出端的TM/TE的強(qiáng)度譜，以及在波長(zhǎng)為1566.7 nm時(shí)的TM/TE場(chǎng)圖。從圖2(a)可以看出，對(duì)于TM偏振光能夠在波長(zhǎng)1566.7 nm的C端口位置獲得98%下路效率以及666的Q值（品質(zhì)因子，定義為下路通道的中心波長(zhǎng)λ與δλ（FWHM）的比值）,而TE偏振光在D端口位置實(shí)現(xiàn)了與TM相同波長(zhǎng)下88%下路效率以及212的Q值。根據(jù)消光比定義（最大透過(guò)光強(qiáng)與最小透過(guò)光強(qiáng)之比，單位用dB表示），圖2(a)TM偏振光的強(qiáng)度譜在1566.7 nm波長(zhǎng)位置所對(duì)應(yīng)的消光比為28.53 dB，而TE偏振光的強(qiáng)度譜所對(duì)應(yīng)的消光比為21.42dB，實(shí)現(xiàn)TE/TM偏振態(tài)的消光比達(dá)20 dB。圖2（a）頂圖為T(mén)M偏振光和TE偏振光在波長(zhǎng)為1566.7 nm的場(chǎng)圖，即TM偏振光從C端口出來(lái)，TE偏振光從D端口出來(lái)，實(shí)現(xiàn)同一波長(zhǎng)不同偏振的分離。值得注意的是，TM偏振光的下路效率及品質(zhì)因子明顯高于TE偏振光，其主要由于W1波導(dǎo)（寬度為2a）對(duì)TE偏振光的傳輸損耗比較大如圖2（b）。在波長(zhǎng)1500～1600nm區(qū)間，TM偏振光時(shí)公共通道波導(dǎo)的歸一化傳輸譜相對(duì)穩(wěn)定，損耗小，而TE偏振光時(shí)公共通道波導(dǎo)的歸一化傳輸譜相對(duì)低，損耗大。

圖2 當(dāng)r=0.24a，rc=0.9r，Lc=0a，d=4蜂窩和L=12蜂窩時(shí)的場(chǎng)圖、強(qiáng)度譜及波導(dǎo)傳輸譜

須指出的是圖2結(jié)果為在固定外圍周期情況下實(shí)現(xiàn)1566.7 nm波長(zhǎng)的不同偏振態(tài)的分離。對(duì)于外圍周期的改變是否會(huì)影響其偏振態(tài)的分離，圖3所示的曲線(xiàn)可以進(jìn)行相應(yīng)的說(shuō)明。圖3所示為水平外圍周期L和垂直外圍周期d變化對(duì)下路波長(zhǎng)、強(qiáng)度及品質(zhì)因子的影響。從圖3（a）可以看出，當(dāng)固定d=4蜂窩時(shí)，對(duì)于TM偏振光和TE偏振光來(lái)說(shuō)，水平外圍周期L對(duì)波長(zhǎng)的影響基本可以忽略。另一方面，當(dāng)固定d=4蜂窩時(shí)，L從10蜂窩變化到14蜂窩時(shí)，對(duì)于TM偏振光的來(lái)說(shuō)，水平外圍周期L對(duì)下路效率以及品質(zhì)因子的影響基本可以忽略；而對(duì)于TE偏振光的來(lái)說(shuō)，水平外圍周期L對(duì)下路效率及品質(zhì)因子的影響較為明顯。從圖3（b）可以看出，當(dāng)固定L=12蜂窩時(shí)，對(duì)于TM偏振光和TE偏振光來(lái)說(shuō)，垂直外圍周期d對(duì)下路波長(zhǎng)、歸一化強(qiáng)度和品質(zhì)因子的影響不同于水平外圍周期L的影響。當(dāng)固定L=12蜂窩時(shí)，d從2蜂窩變化到6蜂窩時(shí)，對(duì)于TM偏振光和TE偏振光的來(lái)說(shuō)，垂直外圍周期d對(duì)下路效率及品質(zhì)因子的影響基本可以忽略，而垂直外圍周期d對(duì)波長(zhǎng)的影響波動(dòng)明顯。另外，從圖3可以看出，TM偏振光的下路效率及品質(zhì)因子高于TE偏振光，這可從圖2（b）得到證實(shí)。

考慮到圖1右邊插圖所示內(nèi)環(huán)區(qū)可以引入電極機(jī)制進(jìn)而使其相應(yīng)的折射率進(jìn)行調(diào)制。圖4所示為環(huán)中的兩個(gè)蜂窩晶格環(huán)折射率從3.36到3.48的變化時(shí)，下路波長(zhǎng)及下路效率的變化曲線(xiàn)。從圖4可以看出，當(dāng)折射率從3.39變化到3.46時(shí)，TM偏振高斯光和TE偏振高斯光波長(zhǎng)漂移量基本一致。而在其他范圍的折射率，兩偏振光的波長(zhǎng)則發(fā)生分離。另一方面，折射率的變化對(duì)TM偏振光強(qiáng)度譜的影響高于對(duì)TE偏振光強(qiáng)度譜的影響。

圖3 外圍周期對(duì)下路波長(zhǎng)、歸一化強(qiáng)度以及品質(zhì)因子的影響

圖4 蜂窩晶格的PCRR微環(huán)中心兩個(gè)蜂窩晶格環(huán)折射率變化對(duì)下路波長(zhǎng)及透射效率的影響

3 結(jié)論

基于二維蜂窩晶格硅介質(zhì)柱光子晶體微環(huán)設(shè)計(jì)了一種新型的偏振分束器結(jié)構(gòu)。二維有限時(shí)域差分方法（FDTD）數(shù)值結(jié)果表明，可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)在1566.7 nm的TM偏振光以及TE偏振光的分離。對(duì)于TM偏振光，垂直外圍周期d對(duì)波長(zhǎng)的影響明顯。而對(duì)于TE偏振光，水平外圍周期L對(duì)下路效率、品質(zhì)因子的影響明顯，垂直外圍周期d對(duì)下路波長(zhǎng)的影響明顯。同時(shí)，當(dāng)折射率從3.39變化到3.46時(shí)，對(duì)于TM/TE偏振高斯光，其波長(zhǎng)漂移量基本一致。這些發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)光偏振分束器提供了一個(gè)導(dǎo)向，同時(shí)豐富了光子晶體微環(huán)可用于當(dāng)前超小型波分復(fù)用技術(shù)部件和高密度光子集成環(huán)路提供理論基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Design of Polarization Beam Sp litter Based on Honeycomb-lattice Photonic Crystal

XU Xiao-fu1,ZHENG Yan-min2,WEIMao-jin1,ZHENG Dong-mei1,XIAO Rong-hui1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Sanming University,Sanming,365004,China;2.Institute of Laser and Optoelectronics Technology,Fujian Provincial Key Laboratory for Photonics Technology,Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine of Ministry of Education,Fujian Normal University,Fuzhou,350007,China)

A new polarization beam splitter(PBS)is proposed based on two-dimensional photonic crystal ring resonator composed of honeycomb-lattice cylindrical silicon rods in air.The physical parameters like dropping wavelength,dropping efficiency and spectral quality factor(Q)affected by the change of surrounding periods and localized refractive index of inner ring were numerically analyzed by using a two-dimensional finite-difference time-domain technique.The results show that the dropping wavelength of TM polarized beam can be greatly influenced by the vertically surrounding period d.On the other hand,the dropping efficiency and spectral quality factor of TE one is sensitive to the change of horizontally surrounding period L while the dropping wavelength is sensitive to d.When the localized index of ring varied from 3.39 to 3.46,the dropping wavelength can keep almost the same for both TM and TE polarized beams.

∶opticalcommunications;photonic crystal ring resonators;dielectric rod;finite-difference time-domain(FDTD)

TN 256

A

1673-4343（2014）02-0057-05

2013-12-08

三明學(xué)院科研基金項(xiàng)目（B201207／Q）；福建省教育廳科技項(xiàng)目（JB13182）

許曉賦，男，福建泉州人，助教。研究方向：光子晶體、光通信、光學(xué)設(shè)計(jì)。