CN101252407A - 基于二维光子晶体的波分解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维光子晶体的波分解复用器，由一根光子晶体主波导，多条波长下路波导以及多对光子晶体微腔构成，每对光子晶体微腔包括一个下路微腔和一个波长选择性反射微腔。多对光子晶体下路微腔及波长选择性反射微腔分别交叉位于主波导的两侧，光子晶体下路微腔为连接主波导和下路波导的点缺陷微腔，波长选择性反射微腔为一边耦合到主波导的点缺陷微腔；为了实现高效率的波分解复用，下路微腔的Q因子比需要满足一定关系，而且每对下路微腔与其相应的波长选择性微腔沿主波导方向的距离也要满足一定的相位关系。这个波分解复用结构尺寸微小且易于集成，波分解复用效率高，串扰小，在未来的波分复用光通信系统中将有重要的应用。

Description

基于二维光子晶体的波分解复用器

技术领域

本发明涉及一种基于二维光子晶体的波分解复用器，适用于光纤通信系统和网络。

背景技术

目前的光纤通信系统广泛使用波分复用技术(WDM)，它能有效地利用光纤的带宽实现大容量、长距离光纤通信，能在用户分配系统中增加业务数量。在这些波分复用技术的应用中，为了充分利用十分宝贵的带宽资源，波长通道间隔变的越来越窄，信道数变得越来越多。这就要求波分解复用器的尺寸不仅要更小，而且也要易于集成。然而利用传统的硅平板回路或者光纤得到的波分解复用器的尺寸都在厘米量级左右，无法适应未来密集波分复用(DWDM)系统中光网络节点的需要。另一方面，目前光子晶体的研究已经成为集成光学研究的热点之一。这是因为光子晶体有很多优越的特性，例如光子带隙效应。利用这个特性，许多基于光子晶体设计的光通信器件具有传统器件所不具备的优越特性。在基于二维光子晶体的波分解复用器中，四端口系统，即在两平行光子晶体波导结构中间放置两个光子晶体微腔，是目前研究的比较成熟的一种。但是这种系统具有较为苛刻和复杂的共振设计，即两波导间的两个微腔模式要完全简并，这可能给器件制作带来很大的困难。四端口系统从结构上还有一个缺点，就是不易设计多波长波分解复用器。在另外的一个三端口系统中，为获得高的波分解复用下路效率，主波导末端被晶格结构堵上以便获得100％的反射反馈。但是这个器件存在一个严重的问题，在反射的光信号中，除了要下路的波长光信号进入下路波导外，其他所有波长的光都将被反射到入射端。如果这个器件在大规模的集成光路中使用将给整个系统带来严重的干扰信号。而且在这个设计中，反射面与下路波导之间距离的选择具有波长选择性，所以不能进行任意多个波长位置处的波分解复用。

因此，怎样研制出高效率、低串扰以及尺寸更加微小且易于集成的波分解复用器是未来DWDM光通信系统中的重要研究方向。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种基于二维光子晶体的波分解复用器，实现高的波分解复用效率，减少通道间串扰和器件的制作难度。

为了实现这样的目的，在本发明的技术方案中，这种基于二维光子晶体的波分解复用器由一根光子晶体主波导、N根波长下路波导、N对光子晶体微腔构成，每对光子晶体微腔包括一个下路微腔和一个波长选择性反射微腔，其中N为波长数。光子晶体主波导通过在平面二维光子晶体中去除一行光子晶体介质柱获得，N根波长下路波导分别位于主波导两边，每根波长下路波导通过去除一列光子晶体介质柱获得；N个光子晶体下路微腔及N个波长选择性反射微腔分别交叉位于主波导的两侧，光子晶体下路微腔为连接主波导和下路波导的点缺陷微腔，波长选择性反射微腔为一边耦合到主波导的点缺陷微腔；光子晶体下路微腔和对应的波长选择性反射微腔的共振频率相同，下路微腔衰减进主波导的Q因子Q₁与下路微腔衰减进下路波导的Q因子Q₂之比Q₁/Q₂等于2，且两微腔之间的距离上产生的相位差2βd是π的奇数倍，其中，d是沿主波导方向两微腔之间的距离，β是共振频率时主波导模的传播常数。

在本发明中，波长选择性反射微腔是一个边耦合到主波导的点缺陷微腔，这个微腔关于其中心的参考平面镜面反射对称，支持单模共振。经适时耦合模理论推导，证明在频率ω等于微腔的共振频率ω_o时，如果微腔由于自身损失的Q因子Q_o远远大于微腔衰减进主波导的Q因子Q_e，共振频率光将被100％的反射。反射谱的半极大值全宽度(FWHM)是ω_o/Q_e。

将这个波长选择性反射微腔用在波分解复用器中，用以提高波分解复用效率。经适时耦合模理论推导，发现只有当光子晶体下路微腔和对应的波长选择性反射微腔的共振频率相等以及Q₁/Q₂等于2时，且两微腔之间沿主波导方向的距离上产生的相位差2βd是π的奇数倍时，共振频率光将从主波导完全解复用到下路波导，这里d是两微腔之间沿主波导方向的距离，β是共振频率时主波导模的传播常数，Q₁是下路微腔衰减进主波导的Q因子，Q₂是下路微腔衰减进下路波导的Q因子。

本发明的波分解复用器中，一对中两个光子晶体微腔的功能是独立的，一个下路微腔用来波分解复用，另一个波长选择性反射微腔用来实现在主波导中波分解复用光的波长选择性反射反馈，用来提高波分解复用效率。因此，两个微腔之间的直接耦合被避免，这可能给设计及制造这种光子晶体滤波器带来很大的灵活性。两个微腔之间距离的设计能够由相位条件得到，从而能够很容易的设计光子晶体波分解复用器。

本发明的光子晶体波分解复用器，可以实现在任意波长位置的波分解复用。波分解复用效率高，波长通道间串扰低。通过设置光子晶体晶格常数的大小，可以自由选定某个下路波长在通信窗口1550nm处。下路的线宽和通道间隔可以通过设计微腔的共振频率和Q因子获得，所以密集波分复用传输(DWDM)也可以通过这个结构实现。

附图说明

图1为一种高折射率介质圆柱在空气中的二维方形晶格光子晶体。

图2为基于图1这种光子晶体的六波长波分解复用器的结构示意图。

图3为六波长波分解复用器的传输强度谱。

图4为在某个下路波长位置时，六波长波分解复用器稳态光波传播模式图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

图1为本发明的二维方形晶格光子晶体结构示意图。这种二维光子晶体由沿x和y方向方形晶格排列的高折射率介质圆柱构成，圆柱沿与纸面垂直的z方向放置，周围为空气介质。如图1所示，相邻两介质圆柱中心之间的最短距离称为晶格常数，长度为a。介质圆柱的半径为r。这里，光子晶体线缺陷波导通过去除沿x方向的一行或沿y方向的一列介质柱获得。光子晶体微腔通过改变某个介质柱的半径或折射率而获得，如可以通过减小某个介质柱的半径而获得单模微腔。在这个微腔中，这个较小的介质柱附近的其他一些介质柱半径或折射率被调节以便调节微腔的共振频率。

本发明实施例的六波长波分解复用器结构如图2所示，这个结构是基于上述光子晶体结构而获得。这个结构由一根光子晶体主波导，六根波长下路波导以及六对光子晶体微腔构成，每对光子晶体微腔包括一个下路微腔和一个波长选择性反射微腔。这个光子晶体主波导通过在平面二维光子晶体中去除沿x方向一行光子晶体高折射率介质柱获得。六根波长下路波导分别位于主波导两边，每根波长下路波导通过去除沿y方向一列光子晶体高折射率介质柱获得。六个光子晶体下路微腔及六个波长选择性反射微腔分别交叉位于主波导的两侧，光子晶体下路微腔为连接主波导和下路波导的点缺陷微腔，波长选择性反射微腔为一边耦合到主波导的点缺陷微腔。为了使光子晶体下路微腔和对应的波长选择性反射微腔的共振频率完全相同，可以分别调节下路微腔与下路波导相邻的介质柱半径或折射率、下路微腔与主波导相邻的介质柱半径或折射率、波长选择性反射微腔与主波导相邻的介质柱半径或折射率。这些被调节的介质柱在图2中分别用黑色圆孔表示。

如图2所示，当某频段输入信号光从主波导左端输入时，首先下路微腔将得到共振激发，从而向下路波导辐射光信号。但是并非所有的光都用来激发下路微腔，另外一部分信号光将沿着主波导向前传输。为了实现某波长信号光完全解复用到下路波导，一个边耦合到主波导的波长选择性反射微腔用来反射这部分光信号。合适的选择下路微腔和波长选择性反射微腔之间的距离，使得这个距离产生的相位差等于π的奇数倍，从而使得整个系统去实现接近理论上100％的波分解复用效率。

实施例：

光通信窗口的六波长波分解复用器。二维光子晶体由方形晶格的高折射率介质硅圆柱构成，折射率是3.4。介质圆柱半径是0.20a。这里a是晶格常数，等于542nm。这种光子晶体仅仅有电场方向平行于介质柱的TM(横磁波，电场方向沿z方向)模光子带隙存在，归一化频率范围是0.28688＜a/λ＜0.42007，这里λ是光在自由空间的波长。先设计一个下路微腔，较小的点缺陷柱半径是0.042a，距离下路波导及主波导之间各有两个介质柱。相应的波长选择性反射微腔点缺陷柱半径也是0.042a，距离主波导中心是3a。为了使两个微腔的共振频率完全相同，波长选择性反射微腔与主波导相邻的介质柱半径，下路微腔与主波导以及下路波导相邻的两个介质柱半径分别被调节，在图2中分别用黑色的圆孔表示。当它们的半径分别是0.23a和0.211a时，两微腔有相同的归一化频率0.36919，对应的波长是1550nm。计算在没有波长选择性反射微腔，仅有下路微腔的系统传输频谱。可以得到在这种情况下波分解复用下路效率仅仅42％。根据适时耦合模理论可以容易的得到这个下路微腔的Q因子比Q₁/Q₂值近似等于2。这些结果均由二维时域有限差分方法结合最佳匹配层边界条件计算获得。接下来利用平面波扩展法计算了主波导的模式色散关系曲线，得到在这个下路波长时的传播常数β等于0.25(2πa^-1)。然后再根据2βd＝(2n+1)π的相位条件计算两腔之间的距离d，显然d等于5a就满足了相位条件，这里n是整数。根据同样的设计方法，计算得到六波长下路微腔与其相应波长选择性反射微腔的相关参数。

表1为六波长波分解复用器的波长选择性反射微腔和下路微腔的相关参数，表中d为两微腔之间沿主波导方向的距离。其缺陷半径和被调节的黑色圆柱半径分别显示在表中。

结合这些参数，如图2所示，基于二维光子晶体设计了六波长波分解复用结构。六个光子晶体下路微腔及六个波长选择性反射微腔分别交叉位于主波导的两侧，光子晶体下路微腔为连接主波导和下路波导的点缺陷微腔，波长选择性反射微腔为一边耦合到主波导的点缺陷微腔。为了使光子晶体下路微腔和对应的波长选择性反射微腔的共振频率完全相同，可以分别调节下路微腔与下路波导相邻的介质柱半径或折射率、下路微腔与主波导相邻的介质柱半径或折射率、波长选择性反射微腔与主波导相邻的介质柱半径或折射率。这些被调节的介质柱在图2中分别用黑色圆孔表示。

图3显示了这个六波长波分解复用器的传输频谱。在六个波长位置，波分解复用的下路效率都在95％以上，而相互间的串扰很小。

图4为在归一化频率0.34978时，发射连续波得到的这个结构的稳态场分布，它表明在这个系统中实现了在这个波长的完全波分解复用。

这些下路波长从λ₁到λ₆依次是1652，1575，1550，1529，1517和1468nm，覆盖了光通信波长窗口的大部分范围。

本发明中所述平面二维光子晶体的晶格类型可以为多种，包括方形、三角形。

本发明基于二维光子晶体设计了一种新型波分解复用器，这个波分解复用器引入一个波长选择性反射微腔用来提高解复用的下路效率，减小入射端后向反射及下路波导间的串扰。这为未来WDM光通信系统的发展提供了一种重要的保证。

Claims (2)

1、一种基于二维光子晶体的波分解复用器，其特征在于由一根光子晶体主波导、N根波长下路波导、N对光子晶体微腔构成，每对光子晶体微腔包括一个下路微腔和一个波长选择性反射微腔，其中N为波长数；光子晶体主波导通过在平面二维光子晶体中去除一行光子晶体介质柱获得，N根波长下路波导分别位于主波导两边，每根波长下路波导通过去除一列光子晶体介质柱获得；N个光子晶体下路微腔及N个波长选择性反射微腔分别交叉位于主波导的两侧，光子晶体下路微腔为连接主波导和下路波导的点缺陷微腔，波长选择性反射微腔为一边耦合到主波导的点缺陷微腔；光子晶体下路微腔和对应的波长选择性反射微腔的共振频率相同，下路微腔衰减进主波导的Q因子Q₁与下路微腔衰减进下路波导的Q因子Q₂之比Q₁/Q₂等于2，且两微腔之间沿主波导方向的距离上产生的相位差2βd是π的奇数倍，其中，d是沿主波导方向两微腔之间的距离，β是共振频率时主波导模的传播常数。

2、根据权利要求1的基于二维光子晶体的波分解复用器，其特征在于所述平面二维光子晶体的晶格类型为方形或者三角形。

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