基于光子晶體駐波諧振的分束方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)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(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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(xiàn)代科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)光學分束器是使光波通過特定材料(薄膜、晶體、光柵等)發(fā)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(fù)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(zhì)，使具有不同偏振態(tài)的光波因折射率不同而產(chǎn)生分光效應(yīng)，利用該性質(zhì)人們已經(jīng)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(yīng)用，但這種分束器只能把不同偏振態(tài)的入射波分為兩束偏振光，同樣不能實現(xiàn)多路同時輸出；波導(dǎo)分束器是微波段光路中常用的分波裝置，被廣泛應(yīng)用于集成光學技術(shù)領(lǐng)域，這種波導(dǎo)分束器可以是金屬波導(dǎo)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(dǎo)，這種波導(dǎo)分束器通常采用Y型平面設(shè)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(shè)備，能夠?qū)⒁皇肷浼す廪D(zhuǎn)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(fù)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。
[0003]全介質(zhì)基光子晶體作為一種新型的人造介質(zhì)材料以其優(yōu)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(shù)非常熱門的研宄領(lǐng)域。光子晶體的周期性結(jié)構(gòu)能夠賦予材料獨特的光學特性，通過對其空間結(jié)構(gòu)和介電性質(zhì)的調(diào)制，能夠在較大范圍內(nèi)對所傳播的電磁波或光波的傳輸性質(zhì)進行調(diào)控，被認為是未來光子晶體器件在光信息領(lǐng)域走向?qū)嵱没耐黄瓶凇?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有電磁波或光波分束技術(shù)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(jù)實際需要控制不同波段的分光數(shù)目和強度，出射光相位差精確鎖定為O或31的基于光子晶體駐波諧振的分束方法。
[0005]本發(fā)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(zhì)調(diào)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射波在光子晶體塊體中發(fā)生干涉疊加，形成波節(jié)位置固定的穩(wěn)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(cè)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O或的多束分束光，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:
[0006](I)選取光子晶體陣列:
[0007]選取一種光子晶體陣列，該光子晶體陣列的空間結(jié)構(gòu)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Atl;
[0008]通常傳導(dǎo)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(shù)可實現(xiàn)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(shù)，微波波段可采用堆砌法或微加工技術(shù)得到光子晶體陣列。
[0009]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(shù)得到面心立方結(jié)構(gòu)的光子晶體，或?qū)⒌玫降闹芷诰Ц窠Y(jié)構(gòu)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(shù)比的光子晶體。在微波段可直接利用Al2O3或GaAs介質(zhì)棒或介質(zhì)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。
[0010](2)制備光子晶體塊體:
[0011]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I = (Ν+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O或正整數(shù)，光子晶體塊體的縱向?qū)挾扰c入射波源寬度等寬；
[0012](3)組成分束器:
[0013]將光子晶體塊體放置于金屬或光子晶體缺陷波導(dǎo)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；
[0014](4)分束過程:
[0015]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(jié)固定的駐波諧振，在光子晶體側(cè)面的縱向出射界面的波腹位置得到出射的分束光(多束)。
[0016]所述步驟(3)中的高反射鏡采用對入射波具有高反射率的金屬、光學鏡面、光柵或晶體反射鏡制成。
[0017]所述步驟(3)中金屬或光子晶體缺陷波導(dǎo)的外形根據(jù)分束光數(shù)目和相位差選擇，分束出射口選在光子晶體中駐波的波腹位置(即諧振最強的位置)，金屬或光子晶體缺陷波導(dǎo)在縱向波腹位置必須對稱分布，以避免影響駐波諧振的穩(wěn)定性。
[0018]所述步驟(3)中，當組成的分束器為二維分束器時，一個波腹位置對應(yīng)兩束同頻率、同偏振、反向傳輸?shù)姆质?；當組成的分束器為三維空間分束器時，一個波腹位置對應(yīng)上、下、左、右四束相互垂直的分束光。
[0019]所述步驟(4)中需要分束的入射波不能進入所述步驟(3)中的金屬和光子晶體缺陷波導(dǎo)壁，只能在波導(dǎo)腔或光子晶體缺陷中傳播。
[0020]所述步驟(4)中需要分束的入射波的波長位于光子晶體的導(dǎo)帶，即入射波能夠在光子晶體塊體中傳播，并且在光子晶體塊體入射界面處，入射波與通過高反射鏡反射的反射波之間光程差為π。
[0021]所述步驟(4)中需要分束的入射波沿所述光子晶體塊體的徑向入射面垂直入射。
[0022]所述步驟(4)中需要分束的入射波如果是光波段，光源采用輸出波長為632nm的He-Ne激光器、輸出波長為532nm的半導(dǎo)體激光器或輸出波長為488nm的Ar+激光器。需要分束的入射波如果是微波或太赫茲波段，光源采用0.3GHz-lTHz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
[0023]所述步驟(4)中波節(jié)固定的駐波諧振是指入射波與反射波疊加后的合成波形成駐波，兩個波節(jié)(振幅為O)之間各點的振幅不等，但振動步調(diào)一致，振動相位相同，節(jié)間的距離為所述頻段入射波在光子晶體中的有效波長的一半；在每個波節(jié)兩側(cè)，振動步調(diào)相反，相位差為π，整個波形并不隨時間發(fā)生空間推移；所述光子晶體塊體徑向界面處為波節(jié)。
[0024]所述步驟(4)分束過程后分束光的出射口位于所述光子晶體塊體中駐波的波腹位置。
[0025]所述步驟(4)中分束光的出射界面位于光子晶體塊體側(cè)面的波腹位置，分束光出射口設(shè)置必須保證空間對稱性，即出射時波腹位置空間全開放，禁止時波腹位置空間全閉合，以保證駐波諧振的波節(jié)位置固定。
[0026]所述步驟(4)中所述分束光的出射方向與入射波傳播方向(即光子晶體的徑向)垂直，出射的多束光相互平行，同側(cè)同向，異側(cè)反向；當駐波諧振穩(wěn)定時，各分束光強度相同，分束數(shù)目越少，單束光的光強越強。
[0027]本發(fā)明首次將光子晶體中的駐波諧振效應(yīng)運用于電磁波/光波的分束，通過適當設(shè)計光子晶體的周期結(jié)構(gòu)，使入射波在光子晶體陣列中的傳播波長λ增大，當入射波沿光子晶體徑向入射，通過高反射鏡反射形成同頻率、同向振動、反向傳播的反射射波在光子晶體中與入射波疊加形成穩(wěn)定的駐波諧振，并且二者在入射界面處干涉相消，諧振光能量沿光子晶體縱向的側(cè)面波腹位置出射實現(xiàn)分束，分束寬度近似為λ/2。本發(fā)明在分束時，全部分束光的相位差被精確鎖定為O和31兩組，從光子晶體分束器同一側(cè)面出射的多束光呈平行分布，且各出射光束具有似得波前形態(tài)，相鄰光束的相位差被精確鎖定為π。
[0028]本發(fā)明克服了現(xiàn)有分束方法要么結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、易損壞，要么加工工藝不成熟，分束光相位難于控制，或者只能用于偏振分束的問題。由于分束原理的優(yōu)勢，該發(fā)明可以用做不同波段電磁波/光波的分束器，隨光子晶體加工工藝日趨成熟，可以利用各種介質(zhì)材料，具有成本低、加工簡單的優(yōu)點；另外本發(fā)明不受空間限制，能夠在二、三維空間進行多光束分束，并且分束數(shù)目可以任意靈活調(diào)控。
【附圖說明】
[0029]圖1為金屬波導(dǎo)中光子晶體駐波諧振分束的原理示意圖。
[0030]圖2為僅取圖1所示分束器中間一對分束光得到的1X2分束器的示意圖。
[0031]圖3為本發(fā)明中三維空間分束器的示意圖。
[0032]圖4為圖1所示兩組相位差為的分束光振幅隨時間變化的曲線圖。
[0033]圖5為I X 6分束器的電場分布圖。
[0034]圖6為1X2分束器的電場分布圖。
[0035]圖7為實施例5的三角晶格結(jié)構(gòu)圖。
[0036]圖8為實施例5的三角晶格結(jié)構(gòu)光子晶體組成的1X6分束器的電場分布圖。
[0037]圖中:1、入射波，2、高反射鏡，3、光子晶體，4、第一分束光，5、第二分束光，6、第三分束光，7、第四分束光，8、第五分束光，9、第六分束光。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步闡述，但本發(fā)明并不限于以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規(guī)方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業(yè)途徑而得。
[0039]實施例1
[0040]選擇一個二維光子晶體3，設(shè)