一种输出可调控的1×4光子晶体分束器
阅读说明：本技术 一种输出可调控的1×4光子晶体分束器 (Output-adjustable 1 x 4 photonic crystal beam splitter ) 是由 许孝芳 张�浩 黄靖宇 郭幸运 牟双双 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种输出可调控的1×4光子晶体分束器,所述分束器由若干三角晶格排列的硅圆柱构成,所述分束器内通过移除硅圆柱构建3个连通的Y分束通道,用于构成1×4分束通道；每个所述Y分束通道的分叉处设有液晶组件,所述液晶组件包括若干正方形液晶玻璃柱,若干正方形液晶玻璃柱对称分布在所述Y分束通道的分叉处两侧；任一所述正方形液晶玻璃柱的两端通过导电体与电源连接,通过选择性使任一所述Y分束通道分叉内的液晶组件中的部分或全部正方形液晶玻璃柱与电源导通,使Y分束通道内的折射率改变,用于选择输出通道。本发明实现对光子晶体分束器光传输的调控,使得能进行实时调控,且单个光子晶体分束器的功能多样。(The invention provides a 1 x 4 photonic crystal beam splitter with adjustable output, which is composed of a plurality of silicon cylinders arranged in triangular lattices, wherein 3 communicated Y beam splitting channels are constructed in the beam splitter by removing the silicon cylinders and are used for forming the 1 x 4 beam splitting channels; a liquid crystal assembly is arranged at the bifurcation of each Y beam splitting channel, and comprises a plurality of square liquid crystal glass columns which are symmetrically distributed at two sides of the bifurcation of the Y beam splitting channel; two ends of any square liquid crystal glass column are connected with a power supply through electric conductors, and by selectively enabling part or all of the square liquid crystal glass columns in the liquid crystal assembly in any Y beam splitting channel bifurcation to be conducted with the power supply, the refractive index in the Y beam splitting channel is changed and the Y beam splitting channel is used for selecting an output channel. The invention realizes the regulation and control of the light transmission of the photonic crystal beam splitter, so that the real-time regulation and control can be carried out, and the function of a single photonic crystal beam splitter is various.)
技术领域
本发明涉及光子晶体分束器技术领域，特别涉及一种输出可调控的1×4光子晶体分束器。
背景技术
人类目前正处于数字化信息时代，日常生活中的各种智能设备随处可见，半导体集成芯片是智能设备的大脑，随着其集成精度不断提高，目前已经接近物理极限，其发展到了瓶颈期。且发热问题一直影响着半导体集成芯片的性能，人类急需找到半导体材料和电子的替代品，来促进数字化信息时代的发展。
光子晶体可以操纵和控制光子，且光子具有发热量少、能耗低等优势，这让研究人员看到了芯片发展的新大陆，随着越来越多的光器件被运用，光子集成芯片将是未来芯片的发展趋势。实现对光子晶体分束器进行简单有效的调控，对光子集成芯片的发展具有重大意义。
光子晶体分束器是光子集成领域使用最广泛的元件，目前提出的可控光子晶体分束器采取的调控方式需要改变光子晶体分束器的结构，改变结构使得调控极其困难，在实际应用中不能做到实时调控，这导致光子晶体分束器实现的功能单一。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种输出可调控的1×4光子晶体分束器，在不改变光子晶体分束器结构的情况下，采用外接电压的方式，实现对光子晶体分束器光传输的调控。使得能进行实时调控，且单个光子晶体分束器的功能多样。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种输出可调控的1×4光子晶体分束器，所述分束器由若干三角晶格排列的硅圆柱构成，所述分束器内通过移除硅圆柱构建3个连通的Y分束通道，用于构成1×4分束通道；每个所述Y分束通道的分叉处设有液晶组件，所述液晶组件包括若干正方形液晶玻璃柱，若干正方形液晶玻璃柱对称分布在所述Y分束通道的分叉处两侧；任一所述正方形液晶玻璃柱的两端通过导电体与电源连接，通过选择性使任一所述Y分束通道分叉内的液晶组件中的部分或全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道内的折射率改变，用于选择输出通道。
进一步，所述Y分束通道包括入射通道、分叉和2个射出通道，所述入射通道通过分叉与2个射出通道连通，所述分叉的夹角为120°；所述入射通道与2个射出通道分别平行。
进一步，所述分叉的焦点处设有一个正方形液晶玻璃柱，所述分叉两侧分别对称设有正方形液晶玻璃柱；所述正方形液晶玻璃柱的中心与移除的硅圆柱中心重合，所述正方形液晶玻璃柱的一个侧面与入射通道平行。
进一步，将任一所述Y分束通道分叉一侧的液晶组件中的部分或全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道分叉一侧通道内的折射率增大，用于阻断该侧通道。
进一步，将任一所述Y分束通道分叉两侧的液晶组件中的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道分叉两侧通道内的折射率增大，用于阻断该Y分束通道。
进一步，将任一所述Y分束通道分叉两侧的液晶组件中的部分正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道分叉两侧通道内的折射率不同，用于改变两侧通道内的分光比。
进一步，所述三角晶格排列的硅圆柱的晶格常数a为561nm，硅圆柱的半径为0.2*a，所述硅圆柱的高度为4*a；所述正方形液晶玻璃柱内边长为0.6*a，所述正方形液晶玻璃柱外边长为0.8*a，所述分束通道宽度为
进一步，当任一所述正方形液晶玻璃柱与电源导通时，所述正方形液晶玻璃柱内部液晶射率为1.69；当任一所述正方形液晶玻璃柱与电源断开时，所述正方形液晶玻璃柱内部液晶射率为1.51。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器，进行调控不需要改变光子晶体分束器的结构，调控方法简单，能实现实时有效调控。
2.本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器，可实现的功能包括对传输通道的选择及分光比的调控。
附图说明
图1为本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器的结构示意图。
图2a为本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器的俯视图。
图2b为本发明所述的正方形液晶玻璃柱的位置。
图3为本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器单个通道传播的示意图，其中图3a为第一通道输送示意图，图3b为第二通道输送示意图，图3c为第三通道输送示意图，图3d为第四通道输送示意图。
图4为第一通道输送时各通道的传输率分析图。
图5为本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器多个通道传播的示意图，其中图5a为第一通道和第二通道输送示意图，图5b为第一通道、第二通道和第三通道输送示意图，图5c为四个通道均输送示意图。
图6a为对不同位置正方形液晶玻璃柱编号图。
图6b为给+2和-2编号的正方形液晶玻璃柱施加电压时输送示意图。
图6c为给+2和-3编号的正方形液晶玻璃柱施加电压时输送示意图。
图中：
1-硅圆柱。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、图2a和图2b所示，本发明所述的输出可调控的1×4光子晶体分束器，所述分束器由若干三角晶格排列的硅圆柱1构成，所述分束器内通过移除硅圆柱1构建3个连通的Y分束通道，用于构成1×4分束通道；所述Y分束通道包括入射通道、分叉和2个射出通道，所述入射通道通过分叉与2个射出通道连通，所述分叉的夹角为120°；所述入射通道与2个射出通道分别平行。第一Y分束通道的2个射出通道分别与第二Y分束通道的入射通道通和第三Y分束通道的入射通道通连通。每个所述Y分束通道的分叉处设有液晶组件，所述液晶组件包括若干正方形液晶玻璃柱，如图2b所示，所述分叉的焦点处设有一个正方形液晶玻璃柱，所述分叉两侧分别对称设有正方形液晶玻璃柱；所述正方形液晶玻璃柱的中心与移除的硅圆柱1中心重合，所述正方形液晶玻璃柱的一个侧面与入射通道平行，图2b中虚线为原移除的硅圆柱1。任一所述正方形液晶玻璃柱的两端通过导电体与电源连接，通过选择性使任一所述Y分束通道分叉内的液晶组件中的部分或全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道内的折射率改变，用于选择输出通道。
本发明中所述三角晶格排列的硅圆柱1的晶格常数a为561nm，硅圆柱1的半径为0.2*a，所述硅圆柱1的高度为4*a；硅的折射率为3.4。所述正方形液晶玻璃柱为正方形空心柱内部加入液晶，所述正方形液晶玻璃柱内边长为0.6*a，所述正方形液晶玻璃柱外边长为0.8*a，所述分束通道宽度为所述正方形液晶玻璃柱上下两端通过金属板与电源连接。通过对正方形液晶玻璃柱两端的金属板施加或者切断电压可以实现对内部液晶材料的折射率进行控制。当液晶材料两端未施加电压时液晶折射率为1.51，当施加电压时，液晶分子会沿着光子晶体柱定向，此时液晶材料折射率为1.69。通过对液晶折射率的控制，可以实现对光的传播进行调控。
将任一所述Y分束通道分叉一侧的液晶组件中的部分或全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道分叉一侧通道内的折射率增大，用于阻断该侧通道。将任一所述Y分束通道分叉两侧的液晶组件中的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道分叉两侧通道内的折射率增大，用于阻断该Y分束通道。如图3所示，为了说明清楚，Y分束通道的两侧分别用上侧和下侧表示。图3a中第一Y分束通道下侧和第二Y分束通道下侧的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，第三Y分束通道内全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第二Y分束通道上侧的射出通道输出，即第一通道输出。图3b中第一Y分束通道下侧和第二Y分束通道上侧的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，第三Y分束通道内全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第二Y分束通道下侧的射出通道输出，即第二通道输出。图3c中第一Y分束通道上侧和第三Y分束通道下侧的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，第二Y分束通道内全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第三Y分束通道上侧的射出通道输出，即第三通道输出。图3d中第一Y分束通道上侧和第三Y分束通道上侧的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，第二Y分束通道内全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第三Y分束通道下侧的射出通道输出，即第四通道输出。图4所示为光从第一通道输出时各个通道的传输效率，可见在一定波长范围可较好的控制光从指定通道传输，选取1550nm作为该分束器的工作波长，下述操作均以工作波长为例。
如图5所示，本发明还可以实现多通道同时输送。图5a中第一Y分束通道下侧的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，第三Y分束通道内全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第二Y分束通道的上侧和下侧射出通道输出，即从第一通道和第二通道输出。图5b中第三Y分束通道下侧的全部正方形液晶玻璃柱与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第二Y分束通道的2个射出通道和第三Y分束通道的上侧射出通道输出，即从第一通道、第二通道和第三通道输出。图5c中3个Y分束通道均不与电源导通，这样光从第一Y分束通道的入射通道输入，由第二Y分束通道的2个射出通道和第三Y分束通道的2个射出通道输出，即从第一通道、第二通道、第三通道和第四通道输出。
将任一所述Y分束通道分叉两侧的液晶组件中的部分正方形液晶玻璃柱与电源导通，使Y分束通道分叉两侧通道内的折射率不同，用于改变两侧通道内的分光比。如图6a所示，在第二Y分束通道内对不同位置的正方形液晶玻璃柱进行编号，对上下侧不同位置的正方形液晶玻璃柱两端施加电压，可在保证较高传输效率的情况下调控分光比，当对+2和-2编号的正方形液晶玻璃柱两端施加电压，获得的传输效果的电场分布如图6b所示，此时两个通道总的传输效率为93.84％，其中一号通道的分光比为49.83％，二号通道的分光比为50.16％。当对+2和-3编号液晶施加电压时，获得的传输效果的电场分布如图6c所示，此时两个通道总的传输效率为92.70％，其中一号通道的分光比为67.21％，二号通道的分光比为32.79％。当对不同位置正方形液晶玻璃柱两端施加电压，传输率及分光比如表1所示。可见通过调节施加电压的位置，可在较大范围调控各个通道的分光比。
表1不同编号正方形液晶玻璃柱施加电压后的分光比
施加电压位置
两通道传输率
第一通道分光比
第二通道分光比
+4和-6
95.58％
4.87％
95.13％
+5和-6
95.33％
12.37％
87.63％
+5和-1
95.40％
22.62％
77.38％
+3和-2
92.86％
32.52％
67.48％
+3和-4
90.50％
46.80％
53.20％
+4和-3
90.47％
52.92％
47.08％
+2和-4
92.50％
64.49％
35.51％
+5和-4
92.20％
73.30％
26.70％
+1和-2
95.50％
83.29％
16.71％
+1和-4
95.23％
90.19％
9.81％
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
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