[发明专利]一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器

说明书

技术领域

本发明涉及一种一维光子晶体色散分离器，对多波长电磁波具有频率分离特性，并形成超精细的光谱结构。

背景技术

    传统的离散光学器件系统由于组装和调整困难、器件体积和重量大、稳定性差等缺点已不能适应现代信息光电子技术发展的需要，一些器件新的原理、新的概念、新的结构设计相继提出，如光子晶体、微谐振腔、微腔激光器、纳米量子线导光、等离子体基元表面波等。近年来，大量研究表明光子晶体具有广阔的应用前景，特别是在光通信、光学信息处理领域中，利用光子晶体可以研制多种光通信器件，如光子晶体波导、光子晶体光纤、光子晶体微腔、光子晶体滤波器、光子晶体光开关、光子晶体激光器、光子晶体偏振器、光子晶体LED和光子晶体超棱镜等。分光器件是光子技术的基本元件之一，在光通信和光学信息处理方面有着广泛的应用，分光器件的发展经历了从色散棱镜到衍射光栅再到采用干涉调制元件和信息变换技术的演化，常见分光器件主要有3类: ( 1) 色散棱镜。包括等边三棱镜、科尔钮棱镜、立特罗棱镜、恒偏向角棱镜等；( 2) 光栅。按照制作方法不同又可分为: 刻划光栅、复制光栅、全息光栅等；按照光栅的形状不同可分为: 平面光栅和凹面光栅; 按照光栅的通透性不同可分为: 透射式光栅和反射式光栅等；( 3) F- P标准具。此外, 还有声光可调谐滤光器、双折射滤波片、二元菲涅耳透镜等一系列分光元件。

    光子晶体是一种利用高低折射率材料交替周期性排列的人工合成材料，电磁波在这种具有周期性结构的材料中传播时会受到由电介质构成的周期势场的调制，从而形成类似于半导体能带结构的光子能带(photonic band)，光子能带之间可能会出现带隙，即光子带隙；两种由不同介电常数材料薄介质层交替排列可构成一维周期性结构,一维光子晶体相当于不同介质组成的多膜材料，例如光学中常见的布拉格反射镜就是一种简单的一维光子晶体。由于一维光子晶体结构简单、可靠性好、容易制备、便于集成等优点，因此利用一维光子晶体来实现对光信号的处理越来越引起人们的关注，如在完整的一维光子晶体中引入缺陷层,光子禁带中会出现缺陷模，通常用来实现窄带滤波。发明专利“波长选择性激光分束器”（中国专利，专利申请号：02143518.9）提供了提供一种用于分离激光束的分束装置，通过一有波长选择性的波片即光学延迟器，不同波长偏振态不同，经过轴离晶体将不同偏振的子光束按角度分开，实现子光束空间分离。本发明采用双棱镜缺陷层的一维光子晶体实现波谱分离，具有分光功能。

发明内容

    本发明的目的是提供一种一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器系统。通过缺陷层结构的设计，输入特定多波长电磁波，在器件不同位置输出不同的波长，即器件位置和输出的波长是一一对应的关系，达到波谱分离的目的，并且有很高的分辨率。

    本发明所采用的技术方案是，采用特征矩阵方法研究由双棱镜构成缺陷层的一维光子晶体的传输特性，研究双棱镜构成缺陷层的结构参数对一维光子晶体的传输特性的影响，达到同时让多波长电磁波入射一维光子晶体一个侧面，在另外一个侧面不同位置输出，实现波谱分离。光子晶体理论研究的方法有很多种，如特征矩阵方法、多重散射法和时域有限差分方法(FDTD)、光束传播法、有限元法等等，本发明研究方法采用特征矩阵方法，它的重要意义在于把薄膜的两个界面的场联系了起来，而它本身包含了薄膜的一切特征参数，即从电磁场的边值关系寻求薄膜两界面上的场之间的关系。

    本发明提出的基于一维光子晶体双棱镜缺陷色散分离器的设计主要包括以下内容。

    本发明包括周期数为12，即24层高低折射率层一维光子晶体和双棱镜缺陷层结构，整个结构为镜像对称分布的特定模型。设置为:介质层A的折射率为n_a= 1.38(MgF2), 厚度d_a=328.6nm, 介质层B折射率为n_b = 2.35(ZnS), d_b=193nm,晶格周期为d=d_a+ d_b=521.6 nm, 一维光子晶体光子禁带中心波长λ₀=2( n_a d_a+ n_b d_b) =1814.2nm，背景材料为空气。

    本发明，由双棱镜构成一维光子晶体缺陷层，同时让多波长电磁波入射一维光子晶体一个侧面，不同在另外一个侧面不同位置输出，实现波谱分离。