CN101246237A - 多腔级联光子晶体多通道滤波器 - Google Patents

多腔级联光子晶体多通道滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基于多个光子晶体缺陷腔级联的多通道滤波器，其结构如下。在中心对称或不对称的周期性光子晶体中间设置一个缺陷，即构成所说的光子晶体单缺陷腔，多个这样的缺陷腔级联即构成所说的多通道滤波器。通道的个数等于腔的个数；通道的密度与腔的个数成正比。通道的位置主要由缺陷层的厚度决定，通道区范围由光子晶体的周期数决定。

Description

多腔级联光子晶体多通道滤波器
(一)技术领域
本发明涉及采用多个光子晶体单缺陷腔级联组成的一维光子晶体多通道滤波器结构。
(二)背景技术
在现代信息社会中，随着技术的发展，需求传输的信息量不断增加，现代光通信器件朝着高容量、大宽带、集成化、小型化方向发展，密集波分复用(DWDM)技术的迅速实用化，为高速率、大容量信息的长距离传输提供了易于实现的方式，也为波长选路为基础的全光通信网的发展提供了可能。光波分复用(WDM)技术是能将不同波长的光信号组合(合波)起来传输，又能将光纤中组合传输的光信号分开(分波)送入不同的通信终端或指定光纤的一种光学技术。目前实现光信号的WDM技术有多种，这些方法或者是系统体积大而复杂，或者是性能不够理想，难以满足日益发展的DWDM技术的要求。
近年来出现了一种新的人工材料一光子晶体，由于其光子带隙特征引起了人们的广泛兴趣，利用光子晶体可以设计出体积更小的波长滤波器。人们已设计出了基于Fabry-Perot效应的光子晶体多通道滤波器，其缺点是在工作频带以外的区域会存在大量的无用通道；也有人设计出基于多个缺陷的光子晶体多通道滤波器，和基于复周期结构的多通道滤波器，但是这些结构都存在设计难度高、通道性能不易控制等问题。
本发明采用多个光子晶体单缺陷腔级联结构，克服了上述光子晶体多通道滤波器的问题，可以很方便地实现多通道滤波。该多通道滤波器与间插复用技术(interleave)结合就可以实现DWDM。
(三)发明内容
本发明的光子晶体多通道滤波器包含有多个级联的光子晶体单缺陷腔，在级联腔的两边各有一定周期数的均匀光子晶体。在一维结构情况下，级联缺陷腔是一维光子晶体缺陷腔的级联(例如图1所示的结构)，在二维结构情况下，是二维光子晶体缺陷腔的级联(例如图2-11所示的结构)，在三维结构情况下是三维光子晶体缺陷腔的级联。单缺陷腔中的缺陷在一维结构中是由一层介质引入的点缺陷(如图1所示的缺陷层)，在二维情况下最佳情况是一根介质柱(孔)引入的点缺陷(如图2-5中所示的缺陷)，但不排除采用一排介质柱(孔)引入的线缺陷(如图6-7中的缺陷)，在三维情况下最佳方式是一个介质粒子引入的点缺陷，但不排除采用一排介质粒子引入的线缺陷和多排介质粒子引入的面缺陷。图1-11给出了几种典型的多个单缺陷腔级联式多通道光子晶体滤波器结构。三维结构的多个单缺陷腔级联多通道滤波器，由于其图形复杂，省略未画出。当复合腔为多种缺陷腔的组合时，缺陷杆(孔)的参数选取原则是，各腔单独存在时的谐振频率相同。
其工作原理是，当光子晶体中有一个缺陷时，在光子禁带中即会出现一个缺陷模。具有一个缺陷的光子晶体等于是一个光子晶体谐振腔。多个同样的腔耦合级联在一起，在原来的单腔的谐振波长附近即会出现多个谐振模式。一个模式分裂成多个模式的原因在于，虽然多个腔都一样，但是级联以后，中间的腔两边的反射层多，靠边上的腔的反射层少，从而会使得各个腔的谐振波长略有差异，从而出现了模式分裂。
这种多通道滤波器的最大好处是，滤波区(通道带)两边是光子禁带区，而且通道密度高。
由于光子晶体可以用电介质来制作，也可以用磁介质来组成，或者用电介质和磁介质的混合来制作，因此，本发明不限于仅用电介质组成的光子晶体结构。同样的道理，光子晶体中的缺陷可以是折射率、磁导率、或几何厚度等物理参数中的一个或几个同时变化引起的结构周期性的破缺。
根据光子晶体的理论，缺陷层的物几何度或者折射率，会改变缺陷模的位置，因此，通道带的位置是由缺陷层的参数(包括几何厚度、介电常数、磁导率等)决定的。
通常情况下，缺陷腔是采用直线形式级联的，但是在某些情况下，在光集成回路中，为了实现光路的拐弯，则可以采用弯曲级联的方式，这时候就能使光按曲线路径运动。
根据光子晶体的理论，缺陷腔中缺陷层两边的光子晶体的周期数越多，则缺陷模的带宽越窄，因此增加整个结构中的左右两边的均匀光子晶体的周期数就可以使得各个缺陷模的带宽变窄，从而使得相邻通道之间的串扰会下降。
为了设计方便，通常，缺陷介质的尺寸与非缺陷介质的尺寸差异比较小，使一个缺陷腔在光子禁带内只产生一个缺陷模式，且最好是在光子禁带的中心地带产生一个缺陷模。这时，N个腔级联后就形成一个N通道的多通道滤波器，其通道分布在禁带中心处，在通道带的两边是光子禁带区。
增加(减少)单缺陷腔中缺陷两边的周期数，每个通道(缺陷模)的带宽将急剧减少(增加)，但是多通道滤波器的多通道滤波带保持不变。另外，在多腔级联结构中，单缺陷腔的数目增加或减少并不会改变腔的的多通道滤波器的多通道滤波带。可见，通过增加单腔的个数，可以增加多通道的通道密度。此外，通道的位置可以由腔中缺陷的尺寸来任意调节。
(四)附图说明
图1：多个一维光子晶体点缺陷腔级联结构多通道滤波器，其中1、2为两种折射率不同的介质层，3为缺陷层。
图2：多个杆式二维光子晶体点缺陷腔级联结构多通道滤波器(直线形)，其中1(圆点)代表高折射率介质杆，2(十字圈)代表缺陷杆(孔)。
图3：多个杆式二维光子晶体点缺陷腔级联结构多通道滤波器(弯曲形)，其中1(圆点)代表高折射率介质杆，2(十字圈)代表缺陷杆(孔)。
图4：多个孔式二维光子晶体点缺陷腔级联结构多通道滤波器(直线形)，其中1(圆圈)代表低折射率介质杆(孔)，2(十字圈)代表缺陷杆(孔)，斜线阴影区为高折射率介质。
图5：多个孔式二维光子晶体点缺陷腔级联结构多通道滤波器(弯曲形)，其中1(圆圈)代表低折射率介质杆(孔)，2(十字圈)代表缺陷杆(孔)，斜线阴影区为高折射率介质。
图6：多个杆式二维光子晶体线缺陷腔级联结构多通道滤波器，其中1(圆点)代表高折射率介质杆，2(十字圈)代表缺陷杆(孔)。
图7：多个孔式二维光子晶体线缺陷腔级联结构多通道滤波器，其中1(圆圈)代表低折射率介质杆(孔)，2(十字圈)代表缺陷杆(孔)，斜线阴影区为高折射率介质。
图8：多个柱式二维光子晶体点缺陷腔-线缺陷腔级联结构多通道滤波器(直线形)，其中1(圆点)代表高折射率介质杆，2(十字圈)和3(乘号圈)代表两种不同参数的缺陷杆(孔)。
图9：多个孔式二维光子晶体点缺陷腔-线缺陷腔级联结构多通道滤波器(直线形)，其中1(圆圈)代表低折射率介质杆(孔)，2(十字圈)和3(乘号圈)代表两种不同参数的缺陷杆(孔)。斜线阴影区为高折射率介质。
图10：多个杆式二维光子晶体点缺陷腔-线缺陷腔级联结构多通道滤波器(弯曲形)，其中1(圆点)代表高折射率介质杆，2(十字圈)、3(乘号圈)和4(斜杠圈
Figure S2008100657484D00031
)代表三种不同参数的缺陷杆(孔)。
图11：多个孔式二维光子晶体点缺陷腔-线缺陷腔级联结构多通道滤波器(弯曲形)，其中1(圆圈)代表低折射率介质杆，2(十字圈)、3(乘号圈)和4(斜杠圈)代表三种不同参数的缺陷杆(孔)。斜线阴影区为高折射率介质。
图12：对图1所示结构，3个光子晶体单缺陷腔级联组合结构的3通道滤波特性
图13：图12中的局部图。
图14：图13的dB图。
图15：对图1所示结构，5个光子晶体单缺陷腔级联组合结构的5通道滤波特性
图16：对图1所示结构，10个光子晶体单缺陷腔级联组合结构的10通道滤波特性
(五)具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施给出一些例子，但是具体实施不限于这些例子。
参照图1，光子晶体多通道滤波器由多个光子晶体单缺陷腔级联组成。包含多个波长的光入射到图1的光子晶体单缺陷腔级联结构上，透射谱出现的缺陷模数目与单缺陷腔的个数相同。例如，把三个光子晶体单缺陷腔级联在一起可以实现3通道滤波。一个具体实施方案是，高折射率的介质层选择AlAs，低折射率介质层为冰晶石，其折射率分别为2.87和1.35，光学厚度都为0.39μm.此外，三个缺陷层的折射率为1.35，厚度为0.58μm.缺陷层之间的高低折射率介质层的周期数为3，结构最两边高低折射率介质层的周期数为5。结果产生三个缺陷模，实现三个通道滤波，如图12-14所示。图15和图16分别采用5个、10个光子晶体单缺陷腔级联在一起产生的5个通道滤波和10个通道滤波，计算参数与三腔的情况相同。
增加结构两边的高低折射率介质层的周期数，可使通道与通道之间的透过率降低通过，减小串扰；增加腔与腔之间高低折射率介质层的周期数，可使通道与通道之间的间隔减小，变密集多通道滤波；增加缺陷层厚度，通道波长向长波方向移动；反之亦然。通过调节高低折射率介质层和单缺陷腔的周期数，以及缺陷层的长度和折射率，可以控制滤波通道波长范围、数目、通道之间的间隔和隔离度，使多腔级联光子晶体多通道滤波器满足系统标准需求。

Claims (6)

1.一种光子晶体多通道滤波器，其特征在于：由N个光子晶体单缺陷腔级联组成，在级联腔的左右两边各设置一定周期数的均匀光子晶体，其通道数为N，其中N为大于1的正整数。
2.按权利要求1所述的级联光子晶体缺陷腔多通道滤波器，其特征在于：单缺陷腔中的缺陷在一维结构中是由一层介质引入的点缺陷，在二维情况下是由一根介质柱(孔)引入的点缺陷或一排介质柱(孔)引入的线缺陷，在三维情况下是由一个介质粒子引入的点缺陷、一排介质粒子引入的线缺陷、或多排介质粒子引入的面缺陷。
3.按权利要求1所述的级联光子晶体缺陷腔多通道滤波器，腔的级联最佳方式是直线式级联。
4.按权利要求1所述的光子晶体多通道滤波器，其特征在于：缺陷腔之间的介质层的周期数越多，则多通道滤波区的波长范围越窄。
5.按权利要求1所述的光子晶体多通道滤波器，其特征在于：结构最左边和最右边的周期数越多，则通道之间的串扰越少。
6.按权利要求1所述的光子晶体多通道滤波器，其特征在于：缺陷层之间的介质层的周期数越多，则通道之间的串扰越少。
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