一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器及其制备方法技术

本发明专利技术提出一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器及其制备方法。该光子晶体偏振分束器由周期性的钇钡铜氧(YBa2Cu3O7‑

【技术实现步骤摘要】
一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器及其制备方法


[0001]本专利技术属于光子晶体制备
，具体涉及一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器及其制备方法。

技术介绍

[0002]分束器(功率分配器)是将一束入射光束(例如激光光束)分成两束或更多束具有不同功率光束的光学器件。偏振分束器能够将两两相互正交偏振光分开，并沿不同方向传播。分束器对电磁波在光子晶体内传播时的可控性高，可按照不同需求控制电磁波在其内的传播，达到人为控制电磁波传播的目的。不同种类的分束器可以应用到不同领域。例如，干涉仪、自相干、相机、投影仪和激光器系统中都需要采用分束器。
[0003]光子晶体是人造的周期性电介质结构，当特定频率的光不能在光子晶体中传播时形成光子带隙，在周期排列的光子晶体中移除一排晶柱能够实现带有线缺陷的光子晶体传输，形成传输的条件来源于光子晶体的带隙，带隙情况源于不同材料之间的对比度。同时，作为高温超导材料的钇钡铜氧(YBa2Cu3O7‑
x
)是一种晶体化合物，是一种临界温度在91K附近的超导材料。相比于一般金属材料，高温超导材料主要优势在于其具有低介电常数，且色散可以忽略。因此，基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器具有低损耗、强局域化等优点。

技术实现思路

[0004](一)要解决的技术问题
[0005]本专利技术提出一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器及其制备方法，以解决在中红外波段有较好传输效果，通过控制光子晶体结构，可以得到中红外波段进行输出端口选通的技术问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器，该偏振分束器由周期性的钇钡铜氧超导材料圆形晶柱组成，晶格常数为1606.5nm，圆形晶柱半径为510m，一端一路入射光和另一端两路出射光的路径宽度均为1762.5nm。
[0008]此外，本专利技术还提出一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器制备方法，该偏振分束器通过磁控溅射方法在铝酸镧单晶衬底上制备钇钡铜氧薄膜，再通过聚焦离子束方法将钇钡铜氧薄膜加工成由钇钡铜氧圆形晶柱组成的周期性纳米结构。
[0009]进一步地，制备方法具体包括如下步骤：
[0010]S1.将铝酸镧单晶衬底放入磁控溅射设备腔体内，加热至800℃，真空度达到0.1Pa以下时，通入氩气和氧气并开启溅射镀膜，得到带有厚度为100nm的钇钡铜氧薄膜的铝酸镧衬底样品；
[0011]S2.将带有厚度为100nm的钇钡铜氧薄膜的铝酸镧衬底样品放入快速退火炉中，将温度升至700℃，通入氧气进行原位退火，使薄膜样品充分吸收氧气提高含氧量，保温后，关闭加热电源，待温度冷却至50℃，取出钇钡铜氧薄膜样品；
[0012]S3.将钇钡铜氧薄膜样品放入聚焦离子束设备中，按光子晶体结构：晶格常数为1606.5nm、圆形晶柱半径为510nm、一端一路入射光和另一端两路出射光的路径宽度都为1762.5nm，进行刻蚀加工，得到基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器。
[0013]进一步地，聚焦离子束刻蚀加工条件：Ga离子束，束流200pA，电压50kv，刻蚀时间50分钟。
[0014](三)有益效果
[0015]本专利技术提出一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器及其制备方法。该光子晶体偏振分束器由周期性的钇钡铜氧(YBa2Cu3O7‑
x
)超导材料圆形晶柱组成，晶格常数为1606.5nm，圆形晶柱半径为510m，一端一路入射光和另一端两路出射光的路径宽度均为1762.5nm。本偏振分束器通过控制晶柱位置移动，实现在中红外波段一端高功率和一端低功率的选通特性。该偏振分束器通过磁控溅射方法在铝酸镧单晶衬底上制备钇钡铜氧薄膜，再通过聚焦离子束方法将钇钡铜氧薄膜加工成由钇钡铜氧圆形晶柱组成的周期性纳米结构，制备工艺简单，易于控制。
附图说明
[0016]图1为本专利技术实施例的光子晶体偏振分束器结构示意图；
[0017]图2(a)为光子晶体偏振分束器模型图，图2(b)为波长3400nm时光子晶体偏振分束器的电场图，图2(c)为波长4500nm时光子晶体偏振分束器的电场图，图2(d)为光子晶体偏振分束器的输出功率图。
具体实施方式
[0018]为使本专利技术的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。
[0019]理论计算表明，不同的光子晶体结构(包括晶柱尺寸、晶格常数)，随着不同温度的变化，输出端口处的功率也会相应变化。在低于高温超导钇钡铜氧的临界温度以下，设置不同的晶格常数、晶柱尺寸，可以控制光功率在输出端口的大小。
[0020]本专利技术提出一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器，采用有限元计算，将晶格常数设置为1606.5nm，晶柱尺寸设置为半径为510nm的圆形晶柱，一端一路入射光和另一端两路出射光的路径宽度都为1762.5nm。光子晶体偏振分束器的结构如图1所示。图中，背景区域1为空气，晶柱2为钇钡铜氧材料。
[0021]在温度为91K的条件下，对整个光子晶体偏振分束器周围使用散射边界条件，在输入光的位置设置输入端口，在两个输出端的位置设置输出端口，运用自由形状域和自由形状边界选定整个光子晶体偏振分束器，通过对两个输出端口设置边界探针，对边界探针设置目标函数，采取拓扑优化的设计，在移动渐进法和梯度方法下进行求解，在所需要的中红外波段，产生输出端口的选通特性。如图2(a)所示，整个线缺陷波导的高度约为1762.5nm，线缺陷结构是挖去若干个圆形晶柱实现的。图2(b)为移光子晶体偏振分束器在波长为3400nm处的电场强度图，波长在3400nm处波导从端口2输出；图2(c)为光子晶体偏振分束器在波长为4500nm处的电场强度图，波长在4500nm处波导从端口1输出。由此可以实现输出端口选通效果。
[0022]为了进一步分析输出端口的选通特性，通过对上下两个端口进行输出功率计算，得到功率随着波长变化的曲线如图2(d)所示。三角形曲线为所选取的波长为3400、3500、3600、4400、4500、4600nm时端口1处的输出功率；正方形曲线为所选取的波长为3400、3500、3600、4400、4500、4600nm时端口2处的输出功率，由此可以看出，输出功率曲线对应的两个输出端口具有较好的对称特性，端口2处的最低输出功率为0.2nW/m，端口1处的最低输出功率为0nW/m，因此具有较好的选通效果。表1为晶柱的移动方向以及移动距离，从而达到较好的输出端口功率实现选通特性，而且移动距离较多的晶柱大多出现在波导的两端，这是由于晶柱的移动能够最大限度将光限制在波导内部降低光的散射，达到较好的输出功率。
[0023]表1光子晶体晶柱移动图
[0024][0025][0026]上述基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器制备方法为：
[0027]S1.将尺寸20mm
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20mm
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0.5mm的铝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器，其特征在于，所述偏振分束器由周期性的钇钡铜氧超导材料圆形晶柱组成，晶格常数为1606.5nm，圆形晶柱半径为510m，一端一路入射光和另一端两路出射光的路径宽度均为1762.5nm。2.一种基于钇钡铜氧光子晶体的偏振分束器制备方法，其特征在于，所述偏振分束器通过磁控溅射方法在铝酸镧单晶衬底上制备钇钡铜氧薄膜，再通过聚焦离子束方法将钇钡铜氧薄膜加工成由钇钡铜氧圆形晶柱组成的周期性纳米结构。3.如权利要求2所述的偏振分束器制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：S1.将铝酸镧单晶衬底放入磁控溅射设备腔体内，加热至800℃，真空度达到0.1Pa以下时，通入氩气和氧气并开启溅射镀膜，得到带有厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，宋海智，谢修敏，徐强，陈蔚，袁菲，蒋若梅，黄海华，李远航，芦鹏飞，
申请(专利权)人：西南技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：