CN101840024A - 一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二维光子晶体偏振通道下路，包括二维光子晶体，两根光子晶体线缺陷波导形成的主波导和下路波导，两个光子晶体点缺陷微腔形成的下路微腔和波长选择性反射微腔，一个入射光端口和两个出射光端口。本滤波器能够实现偏振窄带信号滤波功能，转移效率高，结构简单，易于制作，能够适用于未来集成光通信系统和网络的滤波、路由、以及波分复用解复用等。

Description

一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器
技术领域
本发明涉及光通信网络技术领域，尤其涉及一种二维光子晶体偏振通道下路滤波器。
背景技术
光子晶体以其在光子集成回路中构建超微小器件的巨大潜力而引起研究者的广泛兴趣。基于光子晶体，已经实现了许多光子器件，如波导，偏振器件以及通道下路滤波器等，而具有极化分束和通道下路滤波复合功能的光子晶体偏振通道下路滤波器将在未来的波分复用光通信系统中广泛应用。
性能良好的光子晶体偏振通道下路滤波器需要满足以下三个条件：第一，对TM(横磁波)和TE(横电波)偏振光都有极低的损耗；第二，对TM和TE两种窄带偏振光中的一种具有偏振通道下路滤波功能。第三，器件应该微小紧凑，结构简单，以降低工艺制作的难度。
已有研究者设计了一种基于二维三角晶格空气孔光子晶体的偏振通道下路滤波器，包括两个平行的线缺陷波导，和一个位于两波导之间由双点缺陷对称腔构成的共振系统。这个滤波器能够在一定的波长范围内将一种特定偏振光束从一个波导下路到另外一个波导，对TE和TM两种偏振光的传输效率均大于95％。但是，这个双点缺陷对称腔结构复杂，不便于实际工艺制造，故需要设计一种结构简单，便于制造的并能满足性能要求的新型光子晶体偏振通道下路滤波器。
发明内容
本发明提供了的一种性能优良，结构简单，便于制作的偏振通道下路滤波器。
一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器，包括：
二维光子晶体，由空气介质圆柱在介质平板上按六角形晶格排列获得，晶格夹角为60°，空气介质圆柱沿与介质平板垂直的方向放置，空气介质圆柱之间为高折射率材料，其折射率是空气折射率三倍左右，这样在其上周期性排列空气介质圆柱而形成的光子晶体具有光子带隙，相邻两圆柱中心之间的距离称二维光子晶体的晶格常数，通过改变晶格常数，空气介质圆柱半径和平板的折射率可对滤波的波长进行选择；
主波导，通过去除一排空气介质圆柱而形成的光子晶体线缺陷波导获得，其一端作为入射光端口，另一端作为出射光端口，这种波导满足在一个比较大的频率范围能够高效率传输TE和TM两种偏振光信号，即对于TE偏振光信号实现带隙导光，而对于TM偏振光信号实现全内反射导光，同时对TE偏振光信号来说，在这个频率范围为单模传输；
下路波导，通过去除与主波导成60°的一排空气介质圆柱而形成的光子晶体线缺陷波导获得，其一端通过下路微腔与主波导的上壁相连，另一端作为出射光端口；
下路微腔，通过改变主波导与下路波导之间的一个空气介质圆柱及其周围最近邻的六个空气介质圆柱的半径而形成的光子晶体点缺陷微腔获得；
波长选择性反射微腔，与下路微腔具有相同的结构，与下路微腔分别位于主波导的两侧，且通过一个半径减小了的空气介质圆柱与主波导(2)的下壁相连。它到入射光端口的距离比下路微腔到入射光端口的距离更大，且下路微腔与波长选择性反射微腔之间的距离d所产生的相位差2βd是π的奇数倍，其中，β是共振频率时主波导模的传播常数。
所述的下路微腔和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品质因子Q1与下路微腔衰减进下路波导的品质因子Q2之比Q1/Q2等于2，在下路微腔和波长选择性反射微腔共同作用下，可将某个频率位置的TE偏振光信号从主波导以接近100％效率转移到下路波导，并可通过改变下路微腔和波长选择性反射微腔的结构与它们之间的距离来选择下路波长。
本发明的光子晶体偏振通道下路滤波器，可以实现在任意波长位置的偏振通道下路滤波，下路线宽可以通过设计微腔的共振频率和品质因子获得，下路效率高，TE信号光与TM信号光通道间串扰低，器件只有微米尺寸，能够集成在偏振波分复用系统中，其结构简单，便于制作。
附图说明
图1是一种空气介质圆柱在高折射率平板中的二维六角形晶格光子晶体。
图2是基于二维六角形晶格光子晶体的偏振通道下路滤波器结构。
图3是主波导的色散曲线。
图4是该偏振通道下路滤波器对TM偏振光信号的传输强度谱。
图5是该偏振通道下路滤波器对TE偏振光信号的传输强度谱。
图6是该偏振通道下路滤波器对TM偏振光信号的稳态光波传播模式图。
图7是该偏振通道下路滤波器对TE偏振光信号的稳态光波传播模式图。
具体实施方式
参见图1、2，本发明基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器包括：
二维光子晶体1，这种二维光子晶体由空气介质圆柱在介质平板上沿x、y方向按六角形晶格排列获得，晶格夹角为60°，空气介质圆柱沿与纸面垂直的z方向放置，空气介质圆柱之间为高折射率材料，其折射率为3.32。如图1所示，相邻两空气介质圆柱中心之间的距离a称为晶格常数，等于470nm。空气介质圆柱的半径为r，等于0.33a。这种光子晶体仅有磁场方向平行于介质柱的TE模光子带隙存在，波长在0.22278＜a/λ＜0.31392这个范围内的TE偏振光将不能通过此滤波器，实现对此频段TE偏振光的滤波。
主波导2，通过去除x方向上的一行空气介质圆柱而形成的光子晶体线缺陷波导获得，其一端作为入射光端口3，另一端作为出射光端口4a。这种波导满足在一个比较大的频率范围能够高效率传输TE和TM两种偏振光信号，即对于TE光信号实现带隙导光，而对于TM偏振光信号实现全内反射折射率导光。同时对TE偏振光信号来说，在这个频率范围为单模传输。图3显示了这个波导的色散关系曲线，由图观之，在归一化频率a/λ＝0.30328处，TE模式光确实为单模传输。
下路波导5，通过去除与主波导2成60°的一排而形成的光子晶体线缺陷波导获得，下路波导5的一端通过下路微腔6与主波导2的上壁相连，另一端作为出射光端口4b。
下路微腔6，位于主波导2与下路波导5之间，通过改变七个空气介质柱的半径而形成的光子晶体点缺陷微腔获得，其中，增大一个空气介质圆柱的半径，使其半径r1为0.58a，同时使与这个大空气介质圆柱最近邻的六个空气介质圆柱孔的半径r2变为0.4a。
波长选择性反射微腔7，与下路微腔6分别位于主波导2的两侧，它与下路微腔6结构相同，但为了使两个微腔共振频率相等，需要减小波长选择性反射微腔7与主波导2下壁相连的一个空气介质圆柱半径r3，使其为0.329a，这样两微腔有相同的归一化共振频率f＝0.30218。波长选择性反射微腔7到入射光端口3的距离比下路微腔6到入射光端口3的距离更大，且波长选择性反射微腔7与下路微腔6之间的距离d所产生的相位差2βd是π的奇数倍，其中，β是共振频率时主波导模的传播常数。
所述的下路微腔6和波长选择性反射微腔7的共振频率相同，下路微腔6衰减进主波导2的品质因子Q1与下路微腔7衰减进下路波导5的品质因子Q2之比Q1/Q2等于2，在下路微腔6和波长选择性反射微腔7共同作用下，可将某个频率位置的TE偏振光信号从主波导2以接近100％效率转移到下路波导5，并可通过改变下路微腔6和波长选择性反射微腔7的结构与它们之间的距离来选择下路波长。
如图4所示，在归一化频率f＝0.30218时，即波长为1550nm附近频段输入TM信号光从偏振通道下路滤波器结构入射光端口3输入时，由于导光的机制是全内反射，所以该TM信号光高效率传输到出射光端口4b，出射光端口4b没有泄露一点TM信号光。
如图5所示，在归一化频率f＝0.30218时，即波长为1550nm附近频段输入TE信号光从偏振通道下路滤波器结构入射光端口3输入时，TE信号光能量在下路微腔6和波长选择性反射微腔7的共同作用下可从主波导2以接近100％效率转移到下路波导6，最后到达出射光端口4b。
如图6所示，此图显示了在波长为1550nm的位置从入射光端口3发射TM连续光信号的z方向电场强度分布，从图中可以看出TM信号光高效率传输到出射光端口4a。而对来说，在此频段存在光子带隙，TE信号光无法通过。
如图7所示，当在入射光端口3发射波长为1550nm的TE连续信号光时，下路微腔6和波长选择性反射微腔7的振动相长干涉，从而将TE信号光能量完全转移到出射光端口4b。
本发明一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器，可以实现在任意波长位置的偏振通道下路滤波，下路效率高，TE信号光与TM信号光通道间串扰低，下路的线宽可以通过改变二维晶体中点缺陷微腔的共振频率和品质因子获得。这个光子晶体偏振通道下路滤波器具有微米尺寸，结构简单，便于制作，适合应用在偏振波分复用光通信系统中。

Claims (3)

1.一种基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器，其特征在于，包括：
二维光子晶体(1)，由空气介质圆柱在介质平板上按六角形晶格周期性排列而成，晶格夹角为60°，空气介质圆柱沿与介质平板垂直方向放置；
主波导(2)，通过去除一行空气介质圆柱而形成的光子晶体线缺陷波导获得，其一端作为入射光端口(3)，另一端作为出射光端口(4a)；
下路波导(5)，通过去除与主波导(2)成60°的一排空气介质圆柱而形成的光子晶体线缺陷波导获得，其一端通过下路微腔(6)与主波导(2)的上壁相连，另一端作为出射光端口(4b)；
下路微腔(6)，通过改变主波导(2)与下路波导(5)之间的一个空气介质圆柱及其周围最近邻的六个空气介质圆柱的半径而形成的光子晶体点缺陷微腔获得；
波长选择性反射微腔(7)，与下路微腔(6)具有相同的结构，与下路微腔(6)分别位于主波导(2)的两侧，通过一个半径减小了的空气介质圆柱与主波导(2)的下壁相连。
2.如权利要求1所述的基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器，其特征在于，所述的波长选择性反射微腔(7)到入射光端口(3)的距离比下路微腔(6)到入射光端口(3)的距离更大，且波长选择性反射微腔(7)与下路微腔(6)之间的距离d所产生的相位差2βd是π的奇数倍，其中，β是共振频率时主波导模的传播常数。
3.如权利要求1所述的基于二维光子晶体偏振通道下路滤波器，其特征在于，所述的下路微腔(6)和波长选择性反射微腔(7)的共振频率相同，下路微腔(6)衰减进主波导(2)的品质因子Q1与下路微腔(6)衰减进下路波导(5)的品质因子Q2之比Q1/Q2等于2。
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