基于正方形晶格二维光子晶体自准直效应的1×3分束器(2)

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科学技术的发展日新月异，各种技术的发展得到了飞速发展，人类的生活方式和思维方式也发生了翻天覆地的变化。正是由于一批批的研究者前仆后继，才能推动科学技术如车轮般前进。陈旧的技术正在被新颖的技术取代，传统的材料正在被新型材料代替，使科学与技术更加和谐与简约。

光子晶体【1】就是一种新型的材料，它的提出也伴随着许多新技术的发现。自从光子晶体被提出，引起了许多科研者的极大的关注。光子晶体具有许多独特的特性，因此在光子集成器件、光电集成器件、光通信、空间光电技术、光电显示技术和激光等众多高新技术中都有十分广泛的应用。比如，光子晶体的散射特性可以实现负折射率、自准直效应和超棱镜等。自准直效应可以使光束理论上无衍射地传播，还可以使光波无损耗传输、分束等，从而实现了高密度光路集成。基于光子晶体的自准直效应，可以实现分束器、偏转器等光学仪器。光子晶体有许多传统材料所无法相比的独特优势，所以在很多领域，光子晶体器件正在逐步代替传统的电子器件。

本文主要介绍利用二维光子晶体的自准直效应来实现1×3分束器。文献综述

1．1 光子晶体

光子晶体，是由不同介电常数介质材料在空间的周期排布结构，当电磁波在光子晶体中传播的时候，遵循折射、反射、投射原理，电子周期性的布拉格散射使电磁波受到调制而形成类似于电子的能带的结构，这种能带称为“光子能带”。在合适的晶格常数和介电常数比的情况下，在光子晶体的光子能带间可出现使某些频率的电磁波完全不能透过的频率区域。将此频率区域称为“光子带隙”或“光子禁带”。又将光子晶体称为“光子带隙材料”。

光子禁带示意图

图1.1 光子禁带示意图

光子晶体可以分为一维光子晶体、二维光子晶体和三维光子晶体。一维光子晶体是介电常数不同的两种介质交替排列，有广泛的应用。二维光子晶体是某种介电常数材料在二维空间周期性的排列。三维光子晶体是两种介质材料的方块构成的空间周期性排布，在三个方向上都具有频率截止带。我们这里的研究的是以二维光子晶体为背景的。

如果在完美的光子晶体中引入缺陷的话，那么光波就可在其中进行传播，它具有传统波导材料所不具有的性质，比如说光波在其中传播可以低损耗，弯曲角度可以更大，更容易集成等。

光子晶体因为它们体积小，易于制造，使用成熟的微电子图形技术的优点，吸引了极大的关注。很多在引入缺陷基础上的光子晶体设备已经可以再二维半导体平板框架上实现了，如波导，定向耦合器和信道下载滤波器等。

1．2 光子晶体的特性

1.2.1 自准直效应

光子晶体表面的色散根据晶格结构、倾斜度、填充率和有效折射率而发生变化。由于在光子晶体中光的传播方向取决于群速度（垂直于等频线），改变等频线的形状提供了一个新的方式来设计光学器件。大量研究人员尝试通过改变色散属性以制造光学器件。所谓光子晶体的自准直效应【2】，指的是电磁波在光子晶体中传输的时候，会受到光子晶体的周期结构的影响，从而沿着一个方向无衍射地直线传播，并且保持光束的宽度不变的现象。自准直现象是由Kosaka等人发现，他推测出光束在光子晶体中传播时候的三种情况：当色散曲线对于入射光束来说是凹的时候，则光束发散；平直的时候，光束与其垂直传播；凸的时候，光束将汇聚【3】（如图1.2）。