CN100391061C - 二维光子晶体谐振腔和信道分插滤波器 - Google Patents
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Abstract
在二维光子晶体中，可获得具有高Q值的谐振腔，其中将此高Q值谐振腔与波导相结合可提供具有高波长分辨率的信道分插滤波器。在由2D光子晶体中的点缺陷形成的谐振腔中，2D光子晶体是通过在条板(1)中确定的二维点晶格中将相对条板(1)具有低折射率(2)并且具有完全相同的大小和形状的低折射率物质(2)进行排列而形成的。点缺陷(4)包含多个三个或三个以上的互相邻接的晶格点，并且在这些晶格点上不排列低折射率的物质(2)；其中应当排列成对应于晶格点中的至少一个最靠近点缺陷(4)的晶格点的低折射率物质(2)的尺寸是可以从预先确定的尺寸进行改变的。
Description
技术领域
本发明涉及采用光子晶体的谐振腔和信道分插滤波器，并且特别涉及基于二维光子晶体的谐振腔和信道分插滤波器在特性上的改进。
应该理解，在本说明书中术语“光”的含义也包括波长比可见光波长或长或短的电磁波。
背景技术
随着近几年波分复用(WDM)光通信系统的发展，超小型分插滤波器和大容量的信道滤波器的重要性正在增加。于是，在这个领域，就尝试使用光子晶体来发展非常小尺寸的光学分插滤波器(add/drop filter)。特别是，使用光子晶体能够通过采用人工周期结构实现新的光学性质，在此种结构中可在母材中以人工方式赋予类似晶格的周期变化的折射率分布。
光子晶体的一个重要的特点是光子带隙的存在。利用具有三维的折射率周期变化(3D光子晶体)的光子晶体，可以形成在每个方向都禁止光传输的完全带隙。利用这些晶体的可能性包括光的局部限制、自发射控制以及波导的形成(藉助引入线缺陷)，其中可预期能够实现超小型光子集成电路。
同时，对具有二维周期性折射率分布结构(2D光子晶体)的光子晶体的使用的研究正不断发展，因为制作此晶体相对容易。在2D光子晶体中形成一个折射率具有周期性的结构，例如，可通过将高折射率板材(通常称为“条板”)贯穿形成的空气柱排列成为方形晶格(lattice)或者三角形晶格的几何形状而形成。另一种方法是这一结构可通过在低折射率材料中将由高折射率材料制作的条柱排列成为2D晶格几何形状而形成。从这种折射率周期变化的结构可产生光子带隙，能使光传输是沿着要控制的共面方向(与条板的两个主面都平行)上进行。比如，可通过在折射率周期变化的结构中引入线缺陷而制作波导。(比如，参考Physical Review B，Vol.62，2000，pp.4488-4492)。
图10以倾斜示意图方式示出了在日本公开特许公报No.2001-272555中公开的信道分插滤波器。(在本申请附图中同样的标号表示相同或等效的部件)。图10的信道分插滤波器示出一个配置于条板1上的2D光子晶体，其结构包括在2D三角形晶格顶点处形成的直径相同的圆柱形通孔2(通常充满空气)。在此种2D光子晶体中光在条板1的共面方向上的传播受到带隙的禁止，并且在平面的法线方向(与条板的两个主面正交的方向)上的传播由于在和低折射率包层(比如，空气)的界面上发生的全内反射而受到限制。
图10中的光子晶体包含一个由直线缺陷组成的波导3。此直线缺陷3包括直线延伸的多个互相邻接的晶格点，在这些晶格点中通孔2缺失。由于光可以通过在2D光子晶体中的缺陷传播，此直线缺陷可以用作线性波导。采用线性波导时，可以以低损耗传输的波长谱比较宽；结果在包含多个信道中的信号的很宽波长范围内的光可通过其进行传播。
应该认识到，作为波导的直线缺陷的亮度可根据所要求的特性而进行各种改变。如上所述，最典型的波导可通过使晶格点线中的一行上的通孔缺失而得到。不过，也可以通过使通孔在晶格点线中的多个相邻行中缺失而制得。此外，波导在宽度上并不限于晶格常数的整数倍，而可以是任意的宽度。比如，可以通过使线性波导两侧上的晶格相对移动到所选择的距离而制作出具有选择宽度的波导。
图10中示出的光子晶体还包含一个由点缺陷构成的谐振腔(cavity)4。此点缺陷4包含一个单晶格点，并且通过该晶格点形成一个直径比其他晶格点大的通孔。以这种方式包含一个比较大的直径的通孔的缺陷一般称为受主型点缺陷。另一方面，在晶格点中通孔缺失的缺陷一般称为施主型点缺陷(donor-type point defect)。谐振腔4设置为与波导3相邻接，并间隔使谐振腔4与波导3可以产生电磁交互影响的距离。
在图10所示的这种2D光子晶体中，如果将包含多个波长范围(λ1，λ2，...λi，...)的光线5引入到波导3中，具有与谐振腔4的谐振频率相对应的特定波长λi的光线在谐振腔中被俘获，并且在点缺陷的内部谐振的同时波长为λi的光线6在法面方向上射出，由于条板1的厚度有限其Q值很小。这意味着图10中的光子晶体可以用作信道分波滤波器。与此相反，通过使光线照射到点缺陷4，在与条板1垂直的方向上，在谐振腔4内谐振的波长为λi的光线可引入到波导3。这意味着图10中的光子晶体也可以用作信道插波滤波器。可以理解，在波导3或谐振腔4和外部之间的光传递可通过将光纤或光电变换器设置于波导端面附近或谐振腔附近而发生。当然，在此场合在波导端面或谐振腔，和光纤端面或光电变换器之间可插入一个准直透镜(准直器)。
在图10所示的这种光学分插滤波器中，通过适当配置由线缺陷(linedefect)构成的波导3和有点缺陷(point defect)构成的谐振腔4之间的间隔，可以控制在波导和谐振腔之间传递的特定波长中的光强度比率。还是在图10中，由于对于点缺陷4在条板1的法线方向上未引入不对称性，光从点缺陷4在两个垂直方向上都输出；但是通过在法面方向上在点缺陷中引入不对称性，可以使光只在一个方向上或另一个垂直方向上输出。下面的这种方法就是可以用来引入这种不对称性的机制的例子，即将剖面为圆形的点缺陷4的直径作成为沿着条板的厚度连续或不连续改变。另外，关于图10，虽然图中的信道分插滤波器只包含一个谐振腔，但可以理解，通过沿着波导设置多个谐振波长互相不同的谐振腔，可以对多个信道的光学信号进行分插。
在采用如日本公开特许公报No.2001-272555中公开的受主型点缺陷的谐振腔的Q值约为500时，包含从这种谐振腔发出的光输出的峰值波长半最大值全宽(FWHM)约为3nm。
不过，对具有峰值波长间隔大约为0.8nm的约100GHz的WDM通信用的多信道信号的使用正在进行研究。这意味着在采用如日本公开特许公报No.2001-272555中公开的谐振腔时，Q值的大小是不够的，而在采用3nm的FWHM时，此谐振腔根本不适合使峰值波长间隔大约为0.8nm的多信道信号互相分开。简言之，现在需要提高采用2D光子晶体的谐振腔的Q值，以减小其输出的峰值波长谱的FWHM。
发明内容
有鉴于现有技术的这种状况，本发明的主要目的在于在2D光子晶体中提供高Q值，并且将这样的谐振腔与波导相结合以使信道分插滤波器可以具有高波长分辨率。
根据本发明的由2D光子晶体中的点缺陷形成的谐振腔，其中2D光子晶体是通过在条板中确定的二维点晶格中将相对条板具有低折射率并且具有完全相同的大小和形状的低折射率物质进行排列而形成的，特征在于点缺陷包含多个三个或三个以上的互相邻接的晶格点，并且在这些晶格点上不排列低折射率的物质；其中应当排列成对应于晶格点中的至少一个最靠近点缺陷的晶格点的低折射率物质的尺寸是可以从预先确定的尺寸进行改变的。
这里，低折射率物质的尺寸从所述预先确定的尺寸改变，所述低折射率物质应应当被排列成对应于第二靠近点缺陷的晶格点中的至少一个。另外，优选的方案是点缺陷包含六个或少于六个晶格点。在谐振腔中谐振的光的波长可取决于点缺陷的尺寸和形状而进行调节，或是通过改变光子晶体的晶格常数进行调节。优选的方案是点缺陷包含排列成线段的多个晶格点。
低折射率物质可填充到贯穿条板的柱体。二维晶格中的点最好是排列成为三角形晶格形状。条板的折射率最好是2.0或更大。
根据本发明的如上所述包含一个或一个以上的谐振腔的信道分插滤波器包含一个或一个以上的由二维光子晶体中的线缺陷形成的波导，并且其特征在于谐振腔被设置为与所述波导相邻接，并间隔开使在所述谐振腔和所述波导之间可以产生电磁交互影响的距离。通过包含多个谐振频率相互不同的谐振腔，这种信道分插滤波器能够用作多信道光学通信的信道分插滤波器。
从下面结合附图的详细描述，本领域技术人员很容易了解本发明的上述及其他目的、特点、方面和优点。
附图说明
图1为用来说明根据本发明的光子晶体中的谐振腔的一个示例中的主要特点的示意平面图。
图2为一张关于2D光子晶体中的谐振腔的一个示例的模拟的照片，示出在条板的法线方向上观察到的从谐振腔中发出的光辐射的图形。
图3为一张关于本发明的谐振腔的一个示例的模拟的照片，示出在条板的法线方向上观察到的从谐振腔中发出的光辐射的图形。
图4为一张关于本发明的谐振腔的另一个示例的模拟的照片，示出在条板的法线方向上观察到的从谐振腔中发出的光辐射的图形。
图5为一张关于本发明的谐振腔的又一个示例的模拟的照片，示出在条板的法线方向上观察到的从谐振腔中发出的光辐射的图形。
图6为示出Q值与最靠近如图1所示的点缺陷的通孔的半径r的关系的曲线图。
图7为示出谐振腔发出的旁瓣相对主射束的功率比与最靠近通孔的半径r的关系的曲线图。
图8为示意地示出不仅与最靠近点缺陷的晶格点相对应的通孔中的至少一个的半径，而且与第二邻接点缺陷的晶格点的相对应的通孔中的至少一个的半径从其他通孔的预先确定的半径改变的情况的平面图。
图9为示出本发明的另一个实施例中的信道分插滤波器的示意斜视图。
图10为示出采用根据现有技术的2D光子晶体的信道的分插滤波器的示意斜视图。
图11A和B为示出在2D光子晶体中包含多个晶格点的施主型点缺陷的代表示例的示意平面图。
具体实施方式
首先本发明的发明人不是研究了2D光子晶体中的由图10所示的受主型缺陷组成的谐振腔的特性，而是研究了由施主型点缺陷组成的谐振腔的特性。如前所述，施主型缺陷包含一个或多个晶格点，并且通孔在这些晶格点缺失。
迄今为止研究的主要是只包含一个单个晶格点的点缺陷，这是根据期望由于其结构简单，对其很容易进行电磁分析，并且其尺寸最小的缘故。这意味着采用施主型，包含多个晶格点的点缺陷迄今为止尚未得到广泛的研究。在这种情况下，本发明的发明人对包含多个晶格点的施主型点缺陷的特性进行了研究。
图11为示出表示包含多个晶格点的施主型点缺陷的2D光子晶体的一部分的示意平面图。在此2D光子晶体中，在配置于条板1内的三角形晶格的顶点上提供通孔2。图11A中的点缺陷4包含线段形式的三个互相邻接的晶格点，在这些晶格点中没有形成通孔2。同时，图11B中的点缺陷4包含三角形形状的三个互相邻接的晶格点，在这些晶格点中没有形成通孔2。换言之，可以形成点缺陷4来包含多个互相一维邻接的晶格点，或是可以形成来包含多个互相二维邻接的晶格点。
利用众所周知的有限差分时域(FDTD)法(见日本公开特许公报No.2001-272555)，本发明的发明人对包含多个晶格点的施主型缺陷进行了电磁分析，发现了，与由包含一个或两个晶格点的施主型点缺陷组成的谐振腔相比较，由包含三个或更多的晶格点的施主型点缺陷组成的谐振腔可以获得高Q值。然而，如果包含在点缺陷中的晶格点的数目太大，则谐振模式的数目会过多，因此晶格点的数目最好是六或小于六。
比如，采用如图11A所示的谐振腔，在简单的基础结构中Q＝5200，当与一个波导复合时，此滤波器可生成的Q值大约为2600，而从谐振腔发出的光输出的FWHM大约为0.6nm。还有，考虑到采用峰值波长间隔大约为0.8nm的大约为100GHz的多信道信号的WDM光学通信中的串扰，可以期望Q值可进一步提高。
图1为用来说明由本发明确定的谐振腔的一个示例中的主要特点的示意平面图。在图1的此2D光子晶体中确定一个三角形顶点的二维晶格，并且在晶格点上形成预先确定的相同直径的圆管形通孔2。三角形晶格中最邻接的晶格点之间的间隔(晶格常数)以a表示。图1所示的施主型点缺陷4包含三个互相邻接的以线段形状延伸的晶格点；在这些晶格点上通孔2缺失。
根据本发明的施主型点缺陷4的主要特点是最靠近点缺陷的(由图1中的虚线表示的通孔)通孔2之中的至少一个的尺寸相对其他通孔减小或变大。
由如图1所示的施主型点缺陷4形成的谐振腔的Q值和电场图形由FTDT法模拟。模拟参数的配置为选择的条板1是硅；波长λ设定为一般光学通信使用的约1.55μm；晶格常数a为0.42μm；条板1的厚度为0.6a；而通孔2的预先确定的剖面半径为0.29a。
在最靠近点缺陷4的通孔2中的每一个(此通孔由图1中的虚线表示)都具有与在这种条件下进行模拟时的其他通孔的完全相同的预先确定的半径r＝0.29a时，可以得到的Q值为5200；图2示出在这种场合在条板1的法线方向上观察到的从谐振腔4中发出的辐射的图形。在最靠近点缺陷4的两个相对端部的晶格点的通孔2a和2b的尺寸从其他通孔的预先确定的半径r＝0.29a改变为0.19a，并且在类似模拟中进一步改变到0.14a，可获得的Q值分别为19600和66700；图3和图4分别示出在这种场合时从谐振腔中发出的光辐射的图形。
从这些模拟中可以了解到，在包含三个互相邻接的晶格点的线段形状的施主型点缺陷中，将与此线段的两端邻接的通孔的尺寸从其他通孔2的预先确定的半径r＝0.29a改变为0.14a可将Q值从5200引人注目地增加到66700，并且同时，通过对图2和图4的比较可知，可减小光的辐射角。
在另一场合，当与点缺陷4的各端邻接的通孔2a和2b的半径改变到0.09a时，可得到更高的Q＝103900；图5示出此时从谐振腔发射的光辐射的图形。与图4比较，在图5中光的辐射角更大，并且在图5中心处的主射束的上方和下方的旁瓣(二次射束)是很显著的。这意味着随着最靠近点缺陷4的通孔2的尺寸的大小从预先确定的半径变大，Q值也倾向于变大，但从自谐振腔4发射的光辐射的辐射角考虑，通孔尺寸的改变量不一定要很大。
下面参照图6，图6为示出Q值与最靠近如图1所示的点缺陷的通孔2a和2b的半径r的关系的曲线图。在此曲线图中横轴代表最靠近谐振腔4的通孔的半径r，以晶格常数a为单位，而纵轴表示Q值。从图6可知，通过增加最靠近的通孔2a和2b的半径r的改变量使Q值变大是有限度的。具体言之，在半径r减小到0.09a过程中，Q值成指数增加并达到最大值103900；但如果进一步减小半径r，Q值却相反急剧减小。
在图7中示出谐振腔发出的旁瓣(从图5中可清楚的看出)相对主射束的功率比与最靠近通孔的半径r的关系的曲线。在此曲线图中横轴表示最靠近的通孔2a和2b的半径r，以晶格常数a为单位，而纵轴表示旁瓣与主射束的功率比。在图7中，很明显，在r＝0.14a时，包含旁瓣的射束辐射角最小，而在r＝0.04a时，最大。
在图1中以虚线表示的所有最靠近点缺陷4的通孔2的半径从0.29a改变到0.19a时也可以获得高Q值，Q＝53700。不过，在此场合，从谐振腔4发射的旁瓣与主射束的功率比很大，从辐射图形来看不合适。
下面参照图8，图8为与图1类似的概略地示出不仅与最靠近点缺陷4的晶格点相对应的通孔2(以虚线表示)中的至少一个的半径，而且与第二邻接点缺陷4的晶格点相对应的通孔2(以虚线表示)中的至少一个的半径从其他通孔2的预先确定的半径改变的情况的平面图。虽然最有效的改善谐振腔的Q值的方法是如前所述的，但从其他通孔2的预先确定的半径改变与最靠近点缺陷4的晶格点相对应的通孔2(以虚线表示)的半径，另外从其他通孔2的预先确定的半径改变与第二邻接晶格点相对应的通孔2的半径也可以产生改善Q值的效果。
应当指出，对于本领域技术人员而言，很显然如上所述的根据本发明的谐振腔4，是可以应用于图10所示的信道分插滤波器中的。也应该理解，当想要在信道分插滤波器中采用根据本发明的谐振腔4时，当然可以通过沿着单个波导在其近旁配置谐振频率互相不同的多个谐振腔而形成可处理互相不同的多个信道中的光学通信的多信道分插滤波器。还有，通过将光纤的端面紧对着谐振腔4配置，从谐振腔4在条板1的法线方向上发射的光可引入到光纤中。另外，通过将光电变换器与谐振腔4紧密相对配置，可以从谐振腔接收到强度调制。对于本领域技术人员可以理解，在谐振腔4和光纤端面或光电变换器两者之一之间可插入一个准直透镜(准直器)。
下面参照图9，图9为示出本发明的另一个实施例中的信道分插滤波器的示意斜视图。尽管图9的信道分插滤波器与图10的类似，在图9中谐振腔4是配置为与第一直线波导3a相邻接，并且第二波导3b配置成为与谐振腔4相邻接。在此场合，如前所述，从引入到第一波导3a中的光学信号，可在谐振腔4内抽出具有特定波长的光学信号，但在将第二波导3b配置为与谐振腔4相邻接时，则抽出的光学信号不是从谐振腔4在条板1的法面方向上引入，而是引入到第二波导3b中。这意味着在采用2D光子晶体的信道分插滤波器中，在通过一个波导传播的光学信号中的给定波长的光学信号可被有选择地引导的另一个波导。
用折射率高的材料制作光子晶体的条板1最好，因为它必须将光限制于其厚度之中。在上述实施方式中，使用的是Si(硅)条板，但也可以使用硅以外的材料，包括第IV组的半导体，如Ge、Sn、C和SiC；第III-V组的半导体化合物，如GaAs、InP、GaN、AlP、AlAs、GaSb、InAs、AlSb、InSb、InGaAsP和AlGaAs；第II-VI组的半导体化合物，如Zns、CdS、ZnSe、HgS、MnSe、CdSe、ZnTe、MnTe、CdTe和HgTe；氧化物，如SiO2、Al2O3和TiO2；氮化硅；各种类型的玻璃，如钠钙玻璃；以及有机物，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。在要求在由这些条板制作的光子晶体中对信号进行放大的场合，可以利用Er、Tm和Alq3(C27H18AlN3O3)对其进行掺杂。
优选的方案是条板1的折射率，具体说，为大于空气的折射率，为2.0或其以上；更为优选的方案是3.0或其以上。对于本领域技术人员而言，可以理解，虽然在上述实施方式中的通孔2中存在的是空气，但在通孔2中当然可以填充相对条板1折射率较小的物质。比如，像导电聚噻吩就可以用作低折射率材料。另外，在条板1中形成的二维晶格并不限定于三角形晶格，也可以形成为其他任意选择的规则二维晶格。并且通孔2的剖面并不限定于圆形，也可以是其他形状；或者剖面的形状可沿着条板的厚度改变。
如上所述，本发明可在2D光子晶体中提供Q值可以提高的谐振腔，并且通过将这样的谐振腔与波导相结合还可以进一步使信道分插滤波器具有高波长分辨率。
对本发明只就所选择的实施方式进行了说明。但对于本领域技术人员而言，从上述的阐述可知，在不脱离由后附的权利要求所确定的本发明的范围的情况下可进行各种改变和修改。另外，对根据本发明的实施方式的上述描述只是为了说明而已，而不是对于由后附的权利要求及其等同所定义的本发明的限制。
Claims (8)
1.一种二维光子晶体，包含具有二维晶格点晶格的条板(1)，所述条板(1)包括谐振腔部分，所述谐振腔部分由晶格部分围绕，所述晶格部分包含其中设置有通孔(2)的晶格点，所述通孔(2)填充有相对于所述条板具有低折射率的低折射率物质并且具有预先确定的完全相同的尺寸和形状，所述谐振腔部分包含点缺陷(4)，该点缺陷(4)包含多个三个或三个以上的互相邻接的晶格点，在所述互相邻接的晶格点中通孔缺失，所述多个三个或三个以上的互相邻接的晶格点排列成线段的形状，
其特征在于在围绕晶格部分的最靠近所述点缺陷(4)的相对端部的晶格点处的两个通孔(2a，2b)的尺寸不同于剩余的通孔(2)的预先确定的尺寸。
2.如权利要求1所述的光子晶体，其中所述点缺陷包含六个或少于六个晶格点。
3.如权利要求1所述的光子晶体，其中在谐振腔中谐振的光的波长取决于所述点缺陷的形状进行调节。
4.如权利要求1所述的光子晶体，其中所述低折射率物质被填充到贯穿所述条板的柱体。
5.如权利要求1所述的光子晶体，其中所述条板的折射率是2.0或更大。
6.如权利要求1所述的光子晶体，其中所述低折射率物质是空气。
7.一种具有如权利要求1-6之任一所述的二维光子晶体的信道分插滤波器，包括：
由在所述二维光子晶体中的线缺陷形成的至少一个波导；其中所述光子晶体的所述谐振腔部分被设置为与所述波导相邻接，并间隔开使在所述谐振腔部分和所述波导之间产生电磁交互影响的距离。
8.如权利要求7所述的信道分插滤波器，包括多个所述谐振腔部分，其中所述谐振腔部分的谐振频率相互不同。
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