CN101546013A - 基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器。其结构包括单模波导(1)、多模干涉波导(2)及两个平行的单模波导(3)、单模波导(4)构成。根据两个预设频率处的自成像条件，确定多模波导的长度，使得当两个频率处的光都从单模波导(1)输入时，一个频率处的光在单模波导(3)处成镜像，另一频率处的光在单模波导(4)处成原像，即实现波分解复用器功能；当满足成镜像条件的频率的光从单模波导(3)输入，满足成原像条件的频率的光从单模波导(4)输入时，则两个频率的光都将从单模波导(1)输出，即实现波分复用器功能。本发明具有结构紧凑，易于集成等优点，在未来光通讯中有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明提供了一种二维光子晶体波分复用器/解复用器及其设计方法，涉及光子晶体、光通信等技术领域。
背景技术
光子晶体是一种人工构建的折射率周期性变化的光物理功能新材料。当电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带叫做光子能带。光子能带之间存在带隙，即光子带隙或光子禁带。光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率落入其中时光被全反射，不能穿过光子晶体。在完整的光子晶体中引入线缺陷，处于禁带中的光被迫沿线缺陷传播，能带图上反映为在光子带隙中出现一个或多个波导模式，这就形成光子晶体波导(PCW)。在常规的多模介质波导中，当入射光场激发多种模式时，由于不同模式的相速度不同，沿着波的传播方向，在周期性的间隔处出现入射光场的一个或多个复制的映像，称为自映像。基于此原理制作的多模干涉(MMI)器件，具有低损耗、低串扰、结构紧凑、设计灵活和制作容差大等优点，适用于集成光路。研究表明，自映像原理在光子晶体多模波导中依然成立。
利用光子晶体多模干涉效应设计的波分复用器/解复用器凭借其高集成度的特点，在未来光通讯中广泛的应用前景。现有的器件只能针对一个工作频率设计，而伴随的其它工作频率无法预知，因而不能有效应用。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，该波分复用器/解复用器可工作在两个预设频率处。
技术方案：本发明的基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器中，二维光子晶体主体由二维周期排列的介质柱阵列组成；单模波导和多模波导分别通过在二维光子晶体中除去一排和多排介质柱获得；波分复用器/解复用器主体为用作多模干涉耦合器的多模波导，在多模波导一端连有用作输入或输出波导的第一单模波导，另一端连有用作输出或输入波导的第二单模波导和第三单模波导。
二维周期排列是指阵列中任何相邻的三个介质柱的中心的连线构成等边三角形的三角晶格。介质柱阵列的材料为硅或磷化铟或砷化钾。多模波导的长度，同时由两个频率处的成像条件决定，即多模波导的长度L，使得当两个频率处的光都从第一单模波导输入时，一个频率处的光在第二单模波导处成镜像，另一频率处的光在第四单模波导处成原像，即实现波分解复用器功能。
将满足成镜像条件的频率的光从第二单模波导输入，将满足成原像条件的频率的光从第三单模波导输入，则两个频率的光都将从第一单模波导输出，即实现波分复用器功能。
其设计方法包括如下步骤：
步骤1、选定材料，确定材料折射率，选择光子晶体晶格类型，确定介质柱或孔半径与晶格常数的比值；
步骤2、在光子晶体中引入线缺陷构成单模波导和多模波导，并利用平面波展开法计算波导的色散曲线；
步骤3、选定两个工作频率，获得获得多模光子晶体波导各阶模式的传播常数βn；
步骤4、根据模型计算多模波导长度。
进一步地，还包括：
步骤5、利用时域有限差分方法分析该器件性能。
所述的晶格类型是指：二维周期排列的介质柱阵列，二维周期性是指阵列中任何相邻的三个孔的中心的连线构成等边三角形的三角晶格。其中，介质材料可以采用硅或磷化铟或砷化钾。
所述的单模波导是指：在光子晶体中移去一排介质柱或空气孔构成单模波导，移去多排介质柱或空气孔构成多模波导。
本发明中，波导模式的数目由多模波导的宽度决定。为了提高自成像效果，必须保证多模波导能够支持足够多的波导模式。
工作时，当将满足成镜像条件和原象条件的频率的光都从单模波导输入时，满足成镜像条件的频率的光从单模波导输出，满足成原像条件的频率的光，从单模波导输出，实现波分解复用器功能。
进一步地，当将满足成镜像条件的频率的光从单模波导输入，将满足成原像条件的频率的光从单模波导输入时，两个频率的光都将从单模波导输出，即实现波分复用器功能。
有益效果：本发明利用光子晶体多模波导作为多模干涉耦合器，利用其自成像特性，可以成功实现两个预设频率处的光波分复用和波分解复用。本发明结构紧凑，易与其它器件实现集成。若将该结构级联使用可进一步提高波分复用/解复用效率。
附图说明
图1a是单模波导的结构示意图，图1b是多模波导的结构示意图；
图2a是单模波导的色散关系曲线，图2b是多模波导的色散关系曲线；
图3是用于计算多模波导长度L的参数；
图4是本发明二维光子晶体波分复用器/解复用器示意图；
图5是输入光的波长为1.31μm时电场强度分布图；
图6是输入光的波长为1.55μm时电场强度分布图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，实施包括如下步骤：
1.选定材料，确定材料折射率，选择光子晶体晶格类型，确定介质柱或孔半径与晶格常数的比值；
选择介电常数ε＝12的Si介质柱，组成二维三角晶格结构，介质柱的轴线沿z轴方向，介质柱半径为r/a＝0.16，其中a为晶格常数，暂为参量。当然，所述的光子晶体也可以是空气柱组成，因此以下的介质柱也可以是空气柱。
2.在光子晶体中引入线缺陷构成单模波导和多模波导，并利用平面波展开法计算波导的色散曲线；
由图1所示：在光子晶体中沿ΓX方向移去一排介质柱构成单模波导，移去五排介质柱构成多模波导。以ΓX方向为x轴，垂直方向为y轴。以虚线框内结构作为超元胞，采用平面波展开法，计算出色散关系曲线图2所示(横电场模式，电场平行于介质柱，下同)，阴影部分为完整晶格结构的允许带。从图2可知光子带隙的归一化频率范围(ωa/2πc＝a/λ)为0.33到0.46。对于移去一排介质柱构成的波导，从0.36一直延伸到允许带有只有一个波导模式；对于移去五排介质柱构成的波导，在光子带隙中出现了五个波导模式，同一频率处，不同模式有不同的相速度。
3.选定两个工作频率，获得获得多模光子晶体波导各阶模式的传播常数βn。
在图2中选定归一化频率a/λ＝0.40对应1.55μm，则a＝620nm，对应1.31μm的归一化频率为a/λ＝0.62/1.31＝0.473。从图中获得多模光子晶体波导在1.55μm(a/λ＝0.40)和1.31μm(a/λ＝0.473)处各阶模式的传播常数βn，列于图3中。
4.根据模型计算多模波导长度；
如图4所示，二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器由三部分构成：单模输入波导、多模干涉波导及两个平行的单模输出波导。在x＝Lm处成镜像的条件为：
在x＝Ld处成原像的条件为：
βnLd＝2knπ+Δd (2)
其中Lm，Ld为距离，Δm，Δd为任意相位差。
因此，可通过选择多模波导的长度，决定光波的输出位置。只要传输距离L满足
L＝Lm(1.31)＝Ld(1.55) (3)
就可实现从A端输入的1.55μm光从B端输出，1.31μm光从C端输出。
求解方程组(1)和(2)式时，先令Δm和Δd为0，找到一组整数值kn(1，2，3…)，减小各Lm和Ld的差异，再用最小二乘法求出Δm和Δd。虽然方程组不存在精确解，但可使得误差在接受范围内。计算结果见图3。所列模式Lm与Ld的平均值为60.13a，此时Δm＝-0.236π，Δd＝-0.192π。为了不改变晶格结构的周期性，L应为晶格常数的整数倍，取L＝60a。
5.利用时域有限差分方法分析该器件性能；
为了验证这一计算结果是否正确，我们运用时域有限差分法(FDTD)计算了TM模式稳定状态电场强度分布图，并采用完全匹配层(PML)吸收边界，入射为单频正弦波，其横截面上为高斯分布。从图5中看出，1.31μm入射光因为近似满足成镜像条件，主要从C端输出，1.55μm入射光近似满足成原像条件，主要从B端输出，这种结构实现了波分解复用。记录B端与C端的输出能量EB、EC。当1.31μm光波入射时，EB/EC为0.08，当1.55μm光波入射时，EB/EC为12，若将该结构级联使用可进一步提高波分解复用效率。
Claims (5)
1.一种基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，其特征在于二维光子晶体主体由二维周期排列的介质柱阵列(5)组成；单模波导和多模波导分别通过在二维光子晶体中除去一排和多排介质柱获得；波分复用器/解复用器主体为用作多模干涉耦合器的多模波导(2)，在多模波导(2)一端连有用作输入或输出波导的第一单模波导(1)，另一端连有用作输出或输入波导的第二单模波导(3)和第三单模波导(4)。
2.根据权利要求1所述的基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，其特征在于二维周期排列是指阵列中任何相邻的三个介质柱的中心的连线构成等边三角形的三角晶格。
3.根据权利要求书2所述的基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，其特征在于介质柱阵列(5)的材料为硅或磷化铟或砷化钾。
4.根据权利要求书1所述的基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，其特征在于多模波导(2)的长度同时由两个频率处的成像条件决定，即多模波导(2)的长度L，使得当两个频率处的光都从第一单模波导(1)输入时，一个频率处的光在第二单模波导(3)处成镜像，另一频率处的光在第四单模波导(4)处成原像，即实现波分解复用器功能。
5.根据权利要求书4所述的基于二维光子晶体多模干涉效应的波分复用器/解复用器，其特征在于将满足成镜像条件的频率的光从第二单模波导(3)输入，将满足成原像条件的频率的光从第三单模波导(4)输入，则两个频率的光都将从第一单模波导(1)输出，即实现波分复用器功能。
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