CN101038354A - 超短光子晶体1×n光功分器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超短光子晶体1×N光功分器。将多个光子晶体波导邻近放置形成定向耦合，输入光场对称进入耦合器后依据自映像原理形成多重像，通过输出第一个多重像而形成超短的多通道功分器。该光功分器无需采取级连结构，而直接将输入信号分配到多个通道。改变形成定向耦合器的各波导之间介质的有效折射率，可使得输入强度在各输出通道中不仅可以平均分配，还可以按不同比例进行输出。通过增加形成定向耦合器的波导的个数，而增大输出通道数。即使通道数增多，依然可以保持超短结构和高输出效率。本发明可应用于新一代高密度大规模集成光路、光通信与光信息处理系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学元器件，特别涉及基于光子晶体波导耦合的一种超短光子晶体1×N光功分器。
背景技术
光功分器是光通信与光信息处理系统中的关键光学功能元件，如波分复用和光纤到户，光信号的分配是必不可少的器件。
光子晶体是折射率按周期性分布的人工制备材料，光子晶体对传播光波存在光子带隙，落在带隙中的光波被禁止传播；完整晶格中的缺陷将扰动光子晶体中的折射率周期场，从而在光子晶体中引入缺陷态。若缺陷连续分布，处于原来对完整光子晶体不透明的禁带中的光可以沿着线缺陷传播，形成光子晶体光波导。这与传统介电光波导采用全内反射来横向限制光波的原理截然不同。同时在光子晶体光波导拐弯角很大时依然可以实现低损耗甚至是零损耗的光传输，从而克服了传统波导和光纤在弯曲处大损耗的缺点。
将多个光子晶体光波导邻近放置形成定向耦合器，由于各传输导模在非常短的距离上发生耦合行为，使得基于这种结构的器件体积超小。可在集成光学领域中用来设计波分复用/解复用，光学开关，分束器等，进而更便于实现光电子器件的高密度微型化。
目前，基于光子晶体波导的1×2功分器已经报道了Y分支、定向耦合器和多模干涉器的结构，而实现多个通道的功率分配目前报道的结构是采取级联的方式，这样一方面增大了器件的体积，另一方面造成了额外的损耗，从而必然限制了它的实际应用。
发明内容
为了克服上述结构存在的问题，本发明的目的在于提供一种超短光子晶体1×N光功分器，它可直接将输入信号平均或按照不同比例分配到多个输出通道中，同时保持超小的结构和高输出效率。
本发明采用的技术方案如下：
超短光子晶体1×N光功分器包括：一个光子晶体输入波导，一个由三个以上波导邻近放置形成的定向耦合器及N个输出波导；定向耦合器的输入端与输入波导对称相接，定向耦合器的输出端与N个输出波导相接；该器件无需采用级连结构，直接将输入场的多重像输出到多个通道中，形成1×N功率分配，输出强度根据输入波导的位置对称分布。
输入信号由输入波导对称进入耦合器之后，耦合器作为一个系统支持多个传输导模，从而可视为多模耦合区。根据自映像原理，对称进入多模耦合区的输入光场的一重像位置L1满足下面关系式：
βiL1＝2kiπ ki＝1，2，3，…
其中β1为各激发偶导模的传播常数，ki为正整数。N重像的位置LN为
LN＝pl1/N
式中l1为第一个一重像的位置，p和N为互质的整数。在第一个N重像位置l1/N处放置N个输出波导，形成1×N功率分配器。输出强度根据输入波导的位置对称分布。
本发明通过增加形成定向耦合器的波导的个数，而增大输出波导数，即增大输出通道数，而无需采用级连结构增大输出通道数。
本发明中组成定向耦合器的各波导之间的介质是有效折射率受调制的介质。通过对称或非对称地改变组成定向耦合器的各波导之间介质的有效折射率而导致N重像的横向重新分布，进而改变输出强度的分配比例；在满足一定条件时，输入信号被平均分配，并保持高的输出效率。
本发明所述的与定向耦合器的输出端相连接的输出波导为直波导或弯折波导。采用直波导，各输出波导之间的间隔为三倍晶格常数，相互之间耦合非常弱，不影响输出效率。采用弯折波导，以增加输出波导之间的距离，而消除它们之间的耦合。
本发明所述的光子晶体的晶格排列为三角形或正方形。
本发明具有的有益效果是：通过输出定向耦合器中输入场的N重像而实现高效的分光，输出光在各个端口的强度不仅可调节为均分，而且可以按照比例需要进行灵活设计。设计的结构可以输出端口很多，但结构长度变化很小。这种无需采用级连的结构而实现1×N的超短光功率分离器可广泛应用于光通信和集成光学领域中。
附图说明
图1为实施例1的1×3超短光子晶体功分器结构示意图。
图2为实施例2的1×4超短光子晶体功分器结构示意图。
图3为实施例1中的1×3超短功分器的稳态电场分布图。
图4为实施例2中的1×4超短功分器的稳态电场分布图。
图5为实施例3中的1×3超短功率均分器的稳态电场分布图。
图6为实施例4中的1×4超短功率均分器的稳态电场分布图。
图中：1、输入波导，2、输出波导，3、输出波导，4、输出波导，5、输出波导，6、定向耦合器，7、受调制的介电柱，8、受调制的介电柱，9、受调制的介电柱。
具体实施方式
下述实施例均采用相同的光子晶体结构。光子晶体结构为呈三角晶格排列在空气中的介电柱，介电柱材料为Si或GaAs，半径为0.18a，介电常数为11.56，晶格常数a＝0.62μm。该结构具有TM模(电场方向平行于介电柱的轴向)的带隙。入射信号的光波长选为通信波段常用光波长1.55μm。
实施例1：
图1是超短光子晶体1×3功分器，包括一个输入波导1，一个由五个波导邻近放置形成的定向耦合器6，及三个输出波导2、3、4，各输出波导2、3、4之间用三排介电柱隔开。输入波导1与定向耦合器6对称连接，定向耦合器6的长度仅为5.58μm(9a)，输出波导2、3、4与定向耦合器6的输出端相接。
输入光场由输入波导1对称进入定向耦合器6后，在与定向耦合器6的输入端相距5.58μm处成第一个三重像，三重像横向分布不均匀，强度和相位根据输入波导1对称地分布。在三重像位置处设置三个输出波导2、3、4，输入场被不均匀地分配到三个输出波导2、3、4中。各输出波导2、3、4强度之比为I2∶I3∶I4＝0.37∶0.37∶1，相对于入射强度的透过率达99.5％。图3给出了该发明的稳态电场分布图。
实施例2：
本发明在实施例1的结构基础上，通过改变形成定向耦合器6的各波导之间的四排受调制的介电柱7、8的有效折射率，而改变三个输出端口的强度比例。
受调制的介电柱7的有效折射率保持不变，受调制的介电柱8的半径改变为0.208a，定向耦合器长度5.58μm保持不变，介电柱8的有效折射率改变导致三重像的横向分布改变，并在此时实现输入信号的平均分配。此时各输出波导2、3、4强度I2＝I3＝I4，总输出效率达96％。稳态电场分布如图5所示。
实施例3：
本发明在实施例1基础上，增加定向耦合器6的宽度，即形成定向耦合的波导数增加到7个，形成超短1×4功分器，结构示意图如图2所示。输入波导1与定向耦合器6对称相接，与定向耦合器6输出端相接的输出波导增加到四个：2、3、4、5，各输出波导之间用三排介电柱隔开。
输入光场由输入波导1对称进入定向耦合器6，在定向耦合器6的长度仅为6.82μm(11a)处成第一个四重像，比实施例1和2的耦合长度仅增加1.24μm，而输出通道增加一个。四重像横向分布不均匀，强度和相位根据输入波导1对称地分布。在第一个四重像位置处设置四个输出波导2、3、4、5，输入场被不均匀地分配到四个输出通道之中。各输出波导2、3、4、5的强度之比为I2∶I3∶I4∶I5＝0.55∶0.55∶1∶1，相对于入射强度的透过率为94.2％。图4给出了该发明的稳态电场分布图。
实施例4：
本发明在实施例3的结构基础上，通过改变形成定向耦合器6的各波导之间的六排受调制的介电柱7、8、9的有效折射率，而改变四个输出端口的强度比例。
受调制的介电柱7、9的有效折射率保持不变，受调制的两排调制介电柱8的改变半径为0.143a，耦合器的长度保持不变，为6.82μm。介电柱8的有效折射率改变导致四重像的横向分布改变，并在此时实现输入信号的平均分配。此时各输出波导2、3、4、5的强度I2＝I3＝I4＝I5，总输出效率达94.8％。稳态电场分布如图6所示。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.超短光子晶体1×N光功分器，其特征在于：包括一个光子晶体输入波导，一个由三个以上波导邻近放置形成的定向耦合器及N个输出波导；定向耦合器的输入端与输入波导对称相接，定向耦合器的输出端与N个输出波导相接；该器件无需采用级连结构，直接将输入场的多重像输出到多个通道中，形成1×N功率分配，输出强度根据输入波导的位置对称分布。
2.根据权利要求1所述的超短光子晶体1×N光功分器，其特征在于：通过增加形成定向耦合器的波导的个数，而增大输出波导数，即增大输出通道数。
3.根据权利要求1所述的超短光子晶体1×N光功分器，其特征在于：组成定向耦合器的各波导之间的介质是有效折射率受调制的介质。
4.根据权利要求1所述的超短光子晶体1×N光功分器，其特征在于：光子晶体的晶格排列为三角形或正方形。
5、根据权利要求1所述的超短光子晶体1×N光功分器，其特征在于：所述的与定向耦合器的输出端相连接的输出波导为直波导或弯折波导。
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