光子晶体偏振分光镜的优化设计

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1、第(’卷第(期%$$(年(月物理学报N?<0(’，M?0(，F.=，%$$(#$$$:"%G$,%$$(,(（’$(）,%"():$9HI1H68JKLIHKLMLIH#%$$(IC;O06C=P0K?D0"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""光子晶体偏振分光镜的优化设计!!李明宇顾培夫（浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，杭州"#$$%&）（%$$’年&月#(日收到；%$$’年)月"$日收到修改稿）提出了一

2、种二维光子晶体偏振分光镜的设计方法，介绍了光栅基板上用*+,-./%多层膜实现二维光子晶体偏振分光镜的优化设计0结果表明，12模式的光子禁带宽度为$3$)"（%!!,"，"是光栅的周期），设计的偏振波长从#3&%"4到%3’"4，相对带宽为""3#50此光子晶体偏振器件制作简单，具有实用性0关键词：偏振分光镜，光子晶体，光子禁带!"##：&)%$6，’%&$7，’%)$8［&，)］作为波片、偏振分束镜、透镜、光子晶体光纤和色#3引言散棱镜等器件0为了获得光子晶体薄膜偏振分光镜，本文提出在许多光学

3、系统中，偏振态的控制是十分重要了一种基于平面波方法（6EF）的二维光子晶体偏的问题0但是各种传统的偏振器件体积大，价格昂振分光镜的设计方法，进而设计了光栅基板上贵0最重要的是它们不是应用微加工技术，因而不适*+,-./%多层膜构成的二维光子晶体偏振分光镜0获合光子集成0商用的偏振器件多是薄膜干涉型和双得了12模式光子禁带宽度为$3$)（"%!!,"，"是光折射晶体型器件，前者要求工作状态为倾斜入射，为栅的周期）、偏振波长范围为#3&%—%3’和相"4"4了获得足够宽的偏振区域，通常要将偏振分束膜

4、胶对带宽为""3#5的性能优良的光子晶体偏振分光合在棱镜中0后者由于晶体尺寸受限，因而通光口径镜0此光子晶体偏振器件制作较简单，在垂直入射条受到限制0件下测试实验样品，表明其偏振区内确存在显著的近年来光子带隙材料的发现，促进了人们对光偏振效应0子晶体的研究0光子晶体是周期性排列的介质或者金属的人工结构，在纳米尺度上改变光子晶体的周%3原理［#—"］期结构，可以控制电磁波在其中的传播0光子晶体的基本特征是光子禁带，频率落在禁带中的电磁利用二维光子晶体制作的平板偏振器件不仅体波是禁止传播的，同时，频

5、率落在带隙中的原子的自积小而且适于光子集成0在二维光子晶体中，光场可发辐射也将被抑制0但是，对近红外和可见光区的光分为12和1F两种偏振模式0两种偏振模式有不同［G］学波段，光子晶体的实验研究和应用非常困难，尤其的能带结构，存在不同的光子禁带0如果使它们的是三维的光子晶体的制备和应用0借助于半导体微禁带完全错开，那么当一束频率处于禁带中的自然电子的制造工艺技术，使二维光子晶体的制作相对光入射到晶体时，其中一种偏振模式的光将被禁止简化，因此二维光子晶体的研究更令人重视0目前已传播，出射光只有另一种

6、偏振模式，而且，如此获得［’，(］［)］经成功制作了近红外波段的二维光子晶体，而且的偏振光的偏振度和透过率都很高0［9］这种二维光子晶体更容易实用化0光子晶体可以光子晶体禁带越大，处在截止区域的频谱范围!国家自然科学基金（批准号：9$’&)$")）资助的课题0!2:4.;<：<;4=>?@ABC?A4.;<0D?4G期李明宇等：光子晶体偏振分光镜的优化设计./GB就越大!所以在给定折射率比的条件下，设计最大带对于"$偏振:%隙的光子晶体十分重要!本文提出了一种二维光子"（!，!9）;!·!9"（

7、!:!9），（/）晶体偏振分光镜的设计方法，优化设计了二维矩形!;"=#，!9;"=#9，其中"是第一布里渊:%晶胞矩形柱子光子晶体的偏振分束镜!对入射光"#区波矢，#，#9是倒格矢!"（!:!9）是介电系数:%模式在某个频率范围内存在光子禁带，被光子晶体"（$）的-2>?@)?变换系数!反射；而"$模式在相应的频率范围内没有禁带，则:%:%:@$·%"（#）;!"（$）)7$!（A）可从光子晶体中透射!物理论证表明，在低折射率材原胞料中加入高折射率介质柱，能产生"#偏振禁带；如决定二维光子晶体

8、特性的主要因素是两种材料果高折射率介质柱相连，则会产生"$偏振禁带［%&］!的折射率比（高低材料折射率比值）、填充率和光子在一维周期结构的基板上（例如光栅）交替蒸镀晶体晶格类型!通常折射率差越大，禁带宽度也越高低两种折射率材料可以得到此种结构的二维光子大!+,-.和()在近红外区域的介电系数分别为"%晶体，图%是这种结构的示意图!设一维周期光栅的;%0BC，".;%C，显然这两种材料具有较高的折射率周期为!!亚波长光栅可使偏振器件紧凑，制作上可差!设计的二维光子晶体，其&D’截面是由矩形高折以应