基于光子晶体驻波谐振的分束方法技术

一种基于光子晶体驻波谐振的分束方法，是利用光子晶体的空间周期性阵列对需要分光的入射波进行传播性质调制，使其在光子晶体阵列中的有效波长远大于其在空气中的波长，并通过在出射面位置安放高反射镜使入射波和反射射波在光子晶体阵列中发生干涉叠加，形成波节位置固定的稳定驻波谐振，适当控制光子晶体阵列径向长度，使入射波和反射射波在光子晶体入射界面位置干涉相消，入射波能量只能通过驻波波腹开口位置出射，最终得到空间对称的相位差为0或π的多束分束光，并且相邻波腹位置的分束光的相位差精确锁定为π。该方法是一种全新的分束方法，简化了加工工艺，降低了成本，提高了使用灵活性，具有重要的学术意义和应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电磁波或光波分束的方法，属于电磁波或光波分束

技术介绍
分束器是一种使输入电磁波或光波分成两束或若干束光的光学器件，在光集成、光互连、图像处理及光学测量等现代科技领域有着广泛的应用。传统光学分束器是使光波通过特定材料(薄膜、晶体、光栅等)发生反射和折射而制成的，这种分束器的缺点是一束光只能分出两束出射光，要得到多束出射光需要进行多分光，造成光路复杂、体积庞大、光功率损耗严重；双折射光学分束器利用光学材料的双折射性质，使具有不同偏振态的光波因折射率不同而产生分光效应，利用该性质人们已经制作了渥拉斯顿棱镜和菲涅尔棱镜等偏振光分束器，并被广泛应用，但这种分束器只能把不同偏振态的入射波分为两束偏振光，同样不能实现多路同时输出；波导分束器是微波段光路中常用的分波装置，被广泛应用于集成光学
，这种波导分束器可以是金属波导也可以是光子晶体中引入线缺陷和点缺陷的光子晶体波导，这种波导分束器通常采用Y型平面设计，很难在三维空间同时得到N束输出光波；二元光学分束器是一种纯相位衍射的光学分束设备，能够将一束入射激光转换成为强度均匀的光束阵列，具有多重成像、光互连、光耦合及光束复合等功能，但是由于这种分束器受到加工工艺不成熟的限制，成本较高，并且该分束器仅适用于单一波长的光束分束。全介质基光子晶体作为一种新型的人造介质材料以其优良的性能和潜在的科学价值使之成为物理学、光子学、电磁场理论、材料科学、纳米技术非常热门的研究领域。光子晶体的周期性结构能够赋予材料独特的光学特性,通过对其空间结构和介电性质的调制，能够在较大范围内对所传播的电磁波或光波的传输性质进行调控,被认为是未来光子晶体器件在光信息领域走向实用化的突破口。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有电磁波或光波分束技术存在的不足，提供一种简单方便、能在二维和三维空间进行多光束分束，并可以根据实际需要控制不同波段的分光数目和强度，出射光相位差精确锁定为0或π的基于光子晶体驻波谐振的分束方法。本专利技术的基于光子晶体驻波谐振的分束方法，是利用光子晶体的空间周期性阵列对需要分光的入射波进行传播性质调制，使其沿光子晶体块体的径向入射，通过在出射面位置安放高反射镜使入射波和反射射波在光子晶体块体中发生干涉叠加，形成波节位置固定的稳定驻波谐振，适当控制光子晶体块体的径向长度，使入射波和反射射波在光子晶体的径向入射界面位置干涉相消，入射波能量只能通过光子晶体块体侧面的驻波波腹开口位置出射，最终得到空间对称的相位差为0或π的多束分束光，并且相邻波腹位置的分束光的相位差精确锁定为π；具体包括以下步骤：(1)选取光子晶体阵列：选取一种光子晶体阵列，该光子晶体阵列的空间结构能够使需要分束的入射波(电磁波或光波)在所述光子晶体中传播，且需要分束的入射波在光子晶体中的有效波长λ大于其在真空中的波长λ0；通常传导光波的波长与光子晶体的周期尺寸相当，通过改变光子晶体阵列的晶格周期尺寸和组成材料的介电常数可实现不同波段入射波的传播，可采用多种制备方法，如光波段可采用光学全息、自组装或光刻蚀技术，微波波段可采用堆砌法或微加工技术得到光子晶体阵列。光子晶体阵列在光波段较简单的制备方法可利用胶体微球自组装技术得到面心立方结构的光子晶体，或将得到的周期晶格结构作为模板，填充其它材料(如硅和二氧化硅)而得到高介电常数比的光子晶体。在微波段可直接利用Al2O3或GaAs介质棒或介质球插入空气背景中得到具有空间周期对称性的光子晶体阵列。(2)制备光子晶体块体：对选取的光子晶体阵列进行切割，沿其晶格周期方向进行纵向出射界面切割，径向入射界面和出射界面相互平行，并与纵向出射界面垂直，得到形状为长方体的光子晶体块体；光子晶体块体的径向长度为l＝(N+1/2)λ，λ为需要分束的入射波在光子晶体中的有效波长，N为0或正整数，光子晶体块体的纵向宽度与入射波源宽度等宽；(3)组成分束器：将光子晶体块体放置于金属或光子晶体缺陷波导中，在与光子晶体块体径向入射界面相对的出射界面处放置一高反射镜，二者(光子晶体块体与高反射镜)组合成为分束器；(4)分束过程：需要分束的入射波沿光子晶体块体径向垂直入射，在高反射镜处反射形成反射波，入射波与反射波在光子晶体中叠加形成波节固定的驻波谐振，在光子晶体侧面的纵向出射界面的波腹位置得到出射的分束光(多束)。所述步骤(3)中的高反射镜采用对入射波具有高反射率的金属、光学镜面、光栅或晶体反射镜制成。所述步骤(3)中金属或光子晶体缺陷波导的外形根据分束光数目和相位差选择，分束出射口选在光子晶体中驻波的波腹位置(即谐振最强的位置)，金属或光子晶体缺陷波导在纵向波腹位置必须对称分布，以避免影响驻波谐振的稳定性。所述步骤(3)中，当组成的分束器为二维分束器时，一个波腹位置对应两束同频率、同偏振、反向传输的分束光；当组成的分束器为三维空间分束器时，一个波腹位置对应上、下、左、右四束相互垂直的分束光。所述步骤(4)中需要分束的入射波不能进入所述步骤(3)中的金属和光子晶体缺陷波导壁，只能在波导腔或光子晶体缺陷中传播。所述步骤(4)中需要分束的入射波的波长位于光子晶体的导带，即入射波能够在光子晶体块体中传播，并且在光子晶体块体入射界面处，入射波与通过高反射镜反射的反射波之间光程差为π。所述步骤(4)中需要分束的入射波沿所述光子晶体块体的径向入射面垂直入射。所述步骤(4)中需要分束的入射波如果是光波段，光源采用输出波长为632nm的He-Ne激光器、输出波长为532nm的半导体激光器或输出波长为488nm的Ar+激光器。需要分束的入射波如果是微波或太赫兹波段，光源采用0.3GHz-1THz的矢量网络分析仪。所述步骤(4)中波节固定的驻波谐振是指入射波与反射波叠加后的合成波形成驻波，两个波节(振幅为0)之间各点的振幅不等，但振动步调一致，振动相位相同，节间的距离为所述频段入射波在光子晶体中的有效波长的一半；在每个波节两侧，振动步调相反，相位差为π，整个波形并不随时间发生空间推移；所述光子晶体块体径向界面处为波节。所述步骤(4)分束过程后分束光的出射口位于所述光子晶体块体中驻波的波腹位置。所述步骤(4)中分束光的出射界面位于光子晶体块体侧面的波腹位置，分束光出射口设置必须保证空间对称性，即出射时波腹位置空间全开放，禁止时波腹位置空间全闭合，以保证驻波谐振的波节位置固定。所述步骤(4)中所述分束光的出射方向与入射波传播方向(即光子晶体的径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光子晶体驻波谐振的分束方法，其特征是，包括以下步骤：(1)选取光子晶体阵列：选取一种光子晶体阵列，该光子晶体阵列的空间结构能够使需要分束的入射波在所述光子晶体中传播，且需要分束的入射波在光子晶体中的有效波长λ大于其在真空中的波长λ0；(2)制备光子晶体块体：对选取的光子晶体阵列进行切割，沿其晶格周期方向进行纵向出射界面切割，径向入射界面和出射界面相互平行，并与纵向出射界面垂直，得到形状为长方体的光子晶体块体；光子晶体块体的径向长度为l＝(N+1/2)λ，λ为需要分束的入射波在光子晶体中的有效波长，N为0或正整数，光子晶体块体的纵向宽度与入射波源宽度等宽；(3)组成分束器：将光子晶体块体放置于金属或光子晶体缺陷波导中，在与光子晶体块体径向入射界面相对的出射界面处放置一高反射镜，二者组合成为分束器；(4)分束过程：需要分束的入射波沿光子晶体块体径向垂直入射，在高反射镜处反射形成反射波，入射波与反射波在光子晶体中叠加形成波节固定的驻波谐振，在光子晶体纵向出射界面的波腹位置得到出射的分束光。

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体驻波谐振的分束方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)选取光子晶体阵列：
选取一种光子晶体阵列，该光子晶体阵列的空间结构能够使需要分束的入射波在所述光
子晶体中传播，且需要分束的入射波在光子晶体中的有效波长λ大于其在真空中的波长λ0；
(2)制备光子晶体块体：
对选取的光子晶体阵列进行切割，沿其晶格周期方向进行纵向出射界面切割，径向入射
界面和出射界面相互平行，并与纵向出射界面垂直，得到形状为长方体的光子晶体块体；光
子晶体块体的径向长度为l＝(N+1/2)λ，λ为需要分束的入射波在光子晶体中的有效波长，N为
0或正整数，光子晶体块体的纵向宽度与入射波源宽度等宽；
(3)组成分束器：
将光子晶体块体放置于金属或光子晶体缺陷波导中，在与光子晶体块体径向入射界面相
对的出射界面处放置一高反射镜，二者组合成为分束器；
(4)分束过程：
需要分束的入射波沿光子晶体块体径向垂直入射，在高反射镜处反射形成反射波，入射
波与反射波在光子晶体中叠加形成波节固定的驻波谐振，在光子晶体纵向出射界面的波腹位
置得到出射的分束光。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体驻波谐振的分束方法，其特征是，所述步骤(3)中金
属或光子晶体缺陷波导的外形根据分束光数目和相位差选择，分束出射口选在光子晶体中驻
波的波腹位置，金属或光子晶体缺陷波导在纵向波腹位置对称分布，以避免影响驻波谐振的
稳定性。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体驻波谐振的分束方法，其特征是，所述步骤(3)中，当
组成的分束器为二维分束器时，一个波腹位置对应两束同频率、同偏振、反向传输的分束光；
当组成的分束器为三维空间分束器时，一个波腹位置对应上、下、左、右四束相互垂直的出
射光。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体驻波谐振的分束方法，其特征是，所述步骤(4)中需要
分束的入射波不能进入所述步...

【专利技术属性】
技术研发人员：董国艳，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京;11