[发明专利]二维光子晶体偏振器及制备方法

说明书

本发明涉及二维光子晶体偏振器。

偏振器是把非偏振光变成偏振光的器件。传统偏振器一般有：

1.利用二向色性。某些晶体对不同偏振方向的光有选择的吸收，光在透过这种晶体做成的偏振器后，会使某一偏振方向的光吸收较多，而另一偏振方向的光有较多透过，从而得到偏振光。如电气石就是典型的具有二向色性的晶体。这种晶体得到的偏振度不太高，透光率也比较低。

2.利用两种媒质分界界面上布儒斯特角下的反射得到偏振光。这种方法的主要缺点在于：入射角一定要是布儒斯特角，而且布儒斯特角对不同的波长是不同的。因此，严格说来，只有对一种波长的光有效；如果偏离布儒斯特角，偏振度是比较差的。

3.利用单轴双折射晶体对o光和e光折射率的差异，可获得沿不同方向出射的两种偏振光。典型的如尼科尔棱镜。它对入射角的范围有限制，超过这个范围就失效。

4.人工制造的具有二向色性的膜片。在处于拉伸状态下的聚合乙烯醇膜上蒸镀一层硫酸碘奎宁晶粒，使晶粒沿着膜的拉伸方向整齐地排列起来，这样制成的膜片具有很强的二向色性。基本原理与1相同。

本发明的目的是寻求一种透光率高、工作频率范围宽、偏振度高、尺寸小且制作方便的可以用在集成光学上的偏振器。

本发明基于光子晶体理论，完全不同于上述的各种原理。光子晶体是80年代末才提出来的新概念和新材料(J.Opt.Soc.Am.B10，1993)，其基本思想是：同半导体中的电子一样，光在周期性的介电结构中传播时，由于周期结构带来的影响，也会形成频带结构；带与带之间可能存在带隙。如果光的频率正好处在带隙中，具有这种频率的光是无法在该种结构中传播的。这时，只有反射，没有透射。

非偏振光可以分解为电场平行于二维周期面(TE波)和电场垂直于二维周期面(TH波)的两个分量。二维周期结构的光子晶体具有特殊的性质：TE分量和TH分量互不耦合。TE波和TH波有各自的带结构和带隙。适当选取结构和介电材料，可以使TE波正好处在TH波的带隙里，这时，TE波有很大的透射，而TH波不能透射；或者可以使TH波正好处在TE波的带隙里，TH波有很大的透射，而TE波不能透射。这种产生偏振光的原理与传统方法的原理完全不同，是一种全新的产生偏振光的原理。如图1所示。

本发明基于如上所述原理，将介电棒放入另一种介电背景材料构成具有二维周期重复性的结构，如图2和图3所示。棒长为(2～20)a，a为重复周期单位长度，重复周期在二维面上重复2～30次，介电棒截面尺寸d和重复周期单位长度a之比，即d/a＝0.2～1.5，介电棒的介电常数ε与背景介电材料的介电常数ε_b之比，即2＜ε/ε_b＜20和0.05＜ε/ε_b＜0.5两个范围之内，介电棒一端或两端固定即可。

需要指出的是，介电棒可以是空气，这时对应的是在一种介电材料上打上周期性的孔，如图7所示。介电棒的截面可以为不同形状，但从制作的角度，选取圆形或正方形更方便。图2和图3所示的结构是正方结构，但其它结构，如六角、长方多角也可。

本发明指出：可以选取合适的介电材料和合适的二维结构，例如取图2和图3所示的二维结构。介电棒为圆柱体，截面尺寸即直径为d，介电常数为ε，周围背景为介电常数ε_b的材料，体系在x和y方向具有周期性重复性，a为一个重复周期单位长度。介电棒的一端或两端用底版固定，如粘接、焊铆均可。

采取如图2和图3所示的结构，介电棒的介电常数ε取为14.0，背景材料的介电常数ε_b取为1.0，即空气；介电棒的直径d取为0.5a。光沿着y方向入射。沿x和y方向的周期重复10次，即沿x和y方向介电棒的数目都为10根。棒的长度选取要远大于重复周期长度a，这里选取棒长是10a根据光子晶体理论计算得到沿y方向入射光有如图4所示的带结构。图中频率采用约化单位c/a，其中c为真空中的光速。在约化频率0.20～0.34内TH波存在带隙。如果入射光的频率在这个范围内，TE波可以传播，而TH波将被完全反射，于是出射光将是很好的偏振光。

这个结构的光子晶体偏振器的偏振度和透射率如图5和图6所示。在约化频率0.2～0.34范围内，不仅偏振度很高，达99％以上，而且透射率也非常大，大部分在90％以上，最小的也有80％。

介电棒和背景材料可以是空气、无机材料和有机材料，如玻璃材料(有机或无机玻璃)，半导体材料(硅、锗、砷化镓等)，聚四氟乙烯，聚乙烯等。