蜂窝晶格光子晶体偏振分束器的设计

许晓赋,郑彦敏,魏茂金,郑冬梅,肖荣辉

（1.三明学院机电工程学院,福建 三明 365004；2.福建师范大学激光与光电子技术研究所，福建省光子技术重点实验室，医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007）

蜂窝晶格光子晶体偏振分束器的设计

许晓赋1,郑彦敏2,魏茂金1,郑冬梅1,肖荣辉1

（1.三明学院机电工程学院,福建 三明 365004；2.福建师范大学激光与光电子技术研究所，福建省光子技术重点实验室，医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007）

∶提出一种基于二维蜂窝晶格光子晶体介质柱型微环偏振分束器，并运用二维时域有限差分方法数值分析了该环形谐振腔外围周期和环区局部折射率调制对下路效率、品质因子以及下路波长等参量的影响。结果表明，对于TM偏振光，垂直外围周期d对波长的影响比较明显；对于TE偏振光，水平外围周期L对其下路效率和品质因子的影响比较明显，而d对下路波长的影响比较明显。同时，当环区局部折射率从3．39变化到3．46时，对于TM/TE偏振光，其波长位置基本保持一致。

光通信；光子晶体微环腔；介质柱；时域有限差分

光学偏振分束器件，是一种将光分成两种互相垂直的偏振光的基本光学装置，其广泛应用于光传感[1]、光储存[2]、光成像[3]和光通信[4]等领域。通常，它们可以通过多层薄膜[5]、双折射晶体[6]和光纤[7]上实现。然而，基于这些机理制作的器件尺寸一般介于毫米和厘米数量级之间，难以满足纳米量级器件的小型化要求。另一方面，光子晶体[8]是一种人工介电常数周期性排列的结构，其具有独特的波长尺度的控光能力已引起人们的注意。迄今为止，基于光子晶体的各种光偏振分束器件屡见报道，其机理概括主要有负折射[9]、导模共振[10]、光子晶体和传统波导混合的导模机制[11]、定向耦合[12]、多模干涉[13]、自准直[14]及光子晶体环形谐振腔[15]等。须指出的是，目前报道的光子晶体偏振分束器很难同时实现TE/TM偏振态的消光比达20 dB，进而限制了其实际应用。

由于光子晶体微环谐振腔[16-17]具有潜在的环大小可伸缩、耦合性灵敏和传播损耗不受环大小影响等优点，被认为是一种优良的超小型光子集成光路组件。本文基于蜂窝晶格光子晶体微环腔结构设计了一种新型的偏振分束器，使其可同时实现TE/TM偏振态的消光比达20 dB。运用二维时域有限差分方法对蜂窝晶格PCRR结构参数进行模拟仿真，分析该环形谐振腔外围周期和环区局部折射率调制对偏振分束器件的下路效率、品质因子以及下路波长等参量的影响。

1 结构设计

图1所示为本文提出的基于光子晶体微环的硅介质柱形偏振分束器的结构示意图，其晶格结构为蜂窝晶格（主要考虑了该结构可以拥有相对较大的TE/TM共同带隙），公共通道波导W1如AB端口是通过沿ΓΜ方向移除几排蜂窝柱子形成，两个微环即图中的两个中心蜂窝结构是通过剔除相邻的外围部分柱子形成，环中心的两个相邻硅柱子，标记为红色，如右边插图所示，主要用于调谐使得同波长的不同偏振态的光分别从不同下路端口如C和D分离出来（这里规定入射端口与出射端口分别标为A、B、C、D），即可实现该波长的偏振分束。简便起见，不妨保持其中心位置而只修改其大小标记为rc，如rc=0.9r。图中a为晶格常数，r为周边没有修改的硅介质柱半径，W 1波导与环形谐振腔的外围周期沿着x和y分别为12和4，即：L=12蜂窝和d=4蜂窝。对于近红外波段，硅是透明传输的，所以不妨假设其折射率nsi=3.42,空气的折射率nair=1。为提高下路效率，上述W 1的宽度需要压缩进而使其保持单模传输。介质柱半径r和晶格周期a的比例为0.24。对于1550 nm通信波长，晶格常数a取860 nm。

图1 二维蜂窝晶格光子晶体PCRR结构示意图

2 数值模拟及讨论

图2所示为图1结构对应参数基于二维时域有限差分方法数值求得的三端口强度谱和场图。图2（a）为当rc=0.9r时，B、C、D输出端的TM/TE的强度谱，以及在波长为1566.7 nm时的TM/TE场图。从图2(a)可以看出，对于TM偏振光能够在波长1566.7 nm的C端口位置获得98%下路效率以及666的Q值（品质因子，定义为下路通道的中心波长λ与δλ（FWHM）的比值）,而TE偏振光在D端口位置实现了与TM相同波长下88%下路效率以及212的Q值。根据消光比定义（最大透过光强与最小透过光强之比，单位用dB表示），图2(a)TM偏振光的强度谱在1566.7 nm波长位置所对应的消光比为28.53 dB，而TE偏振光的强度谱所对应的消光比为21.42dB，实现TE/TM偏振态的消光比达20 dB。图2（a）顶图为TM偏振光和TE偏振光在波长为1566.7 nm的场图，即TM偏振光从C端口出来，TE偏振光从D端口出来，实现同一波长不同偏振的分离。值得注意的是，TM偏振光的下路效率及品质因子明显高于TE偏振光，其主要由于W1波导（宽度为2a）对TE偏振光的传输损耗比较大如图2（b）。在波长1500～1600nm区间，TM偏振光时公共通道波导的归一化传输谱相对稳定，损耗小，而TE偏振光时公共通道波导的归一化传输谱相对低，损耗大。

图2 当r=0.24a，rc=0.9r，Lc=0a，d=4蜂窝和L=12蜂窝时的场图、强度谱及波导传输谱

须指出的是图2结果为在固定外围周期情况下实现1566.7 nm波长的不同偏振态的分离。对于外围周期的改变是否会影响其偏振态的分离，图3所示的曲线可以进行相应的说明。图3所示为水平外围周期L和垂直外围周期d变化对下路波长、强度及品质因子的影响。从图3（a）可以看出，当固定d=4蜂窝时，对于TM偏振光和TE偏振光来说，水平外围周期L对波长的影响基本可以忽略。另一方面，当固定d=4蜂窝时，L从10蜂窝变化到14蜂窝时，对于TM偏振光的来说，水平外围周期L对下路效率以及品质因子的影响基本可以忽略；而对于TE偏振光的来说，水平外围周期L对下路效率及品质因子的影响较为明显。从图3（b）可以看出，当固定L=12蜂窝时，对于TM偏振光和TE偏振光来说，垂直外围周期d对下路波长、归一化强度和品质因子的影响不同于水平外围周期L的影响。当固定L=12蜂窝时，d从2蜂窝变化到6蜂窝时，对于TM偏振光和TE偏振光的来说，垂直外围周期d对下路效率及品质因子的影响基本可以忽略，而垂直外围周期d对波长的影响波动明显。另外，从图3可以看出，TM偏振光的下路效率及品质因子高于TE偏振光，这可从图2（b）得到证实。

考虑到图1右边插图所示内环区可以引入电极机制进而使其相应的折射率进行调制。图4所示为环中的两个蜂窝晶格环折射率从3.36到3.48的变化时，下路波长及下路效率的变化曲线。从图4可以看出，当折射率从3.39变化到3.46时，TM偏振高斯光和TE偏振高斯光波长漂移量基本一致。而在其他范围的折射率，两偏振光的波长则发生分离。另一方面，折射率的变化对TM偏振光强度谱的影响高于对TE偏振光强度谱的影响。

图3 外围周期对下路波长、归一化强度以及品质因子的影响

图4 蜂窝晶格的PCRR微环中心两个蜂窝晶格环折射率变化对下路波长及透射效率的影响

3 结论

基于二维蜂窝晶格硅介质柱光子晶体微环设计了一种新型的偏振分束器结构。二维有限时域差分方法（FDTD）数值结果表明，可以实现波长在1566.7 nm的TM偏振光以及TE偏振光的分离。对于TM偏振光，垂直外围周期d对波长的影响明显。而对于TE偏振光，水平外围周期L对下路效率、品质因子的影响明显，垂直外围周期d对下路波长的影响明显。同时，当折射率从3.39变化到3.46时，对于TM/TE偏振高斯光，其波长漂移量基本一致。这些发现为设计光偏振分束器提供了一个导向，同时丰富了光子晶体微环可用于当前超小型波分复用技术部件和高密度光子集成环路提供理论基础。

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（责任编辑：朱联九）

Design of Polarization Beam Sp litter Based on Honeycomb-lattice Photonic Crystal

XU Xiao-fu1,ZHENG Yan-min2,WEIMao-jin1,ZHENG Dong-mei1,XIAO Rong-hui1
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Sanming University,Sanming,365004,China;2.Institute of Laser and Optoelectronics Technology,Fujian Provincial Key Laboratory for Photonics Technology,Key Laboratory of Optoelectronic Science and Technology for Medicine of Ministry of Education,Fujian Normal University,Fuzhou,350007,China)

A new polarization beam splitter(PBS)is proposed based on two-dimensional photonic crystal ring resonator composed of honeycomb-lattice cylindrical silicon rods in air.The physical parameters like dropping wavelength,dropping efficiency and spectral quality factor(Q)affected by the change of surrounding periods and localized refractive index of inner ring were numerically analyzed by using a two-dimensional finite-difference time-domain technique.The results show that the dropping wavelength of TM polarized beam can be greatly influenced by the vertically surrounding period d.On the other hand,the dropping efficiency and spectral quality factor of TE one is sensitive to the change of horizontally surrounding period L while the dropping wavelength is sensitive to d.When the localized index of ring varied from 3.39 to 3.46,the dropping wavelength can keep almost the same for both TM and TE polarized beams.

∶opticalcommunications;photonic crystal ring resonators;dielectric rod;finite-difference time-domain(FDTD)

TN 256

A

1673-4343（2014）02-0057-05

2013-12-08

三明学院科研基金项目（B201207／Q）；福建省教育厅科技项目（JB13182）

许晓赋，男，福建泉州人，助教。研究方向：光子晶体、光通信、光学设计。