CN102062898A - 基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，采用高折射率平板上六角晶格空气孔排列的二维光子晶体，光子晶体三重波分复用器包括四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔；四根光子晶体线缺陷波导分别是输入波导、第一通道、第二通道以及第三通道；其中一个缺陷微腔为波长1490nm下路微腔，另一个缺陷微腔为波长1310nm下路微腔, 两个微腔分别放置在输入波导两侧；第二通道和第三通道分别与1310nm下路微腔和1490nm下路微腔相连，输入波导末端与第一通道通过折叠定向耦合器相连。本发明便于制作、实用性强、具有微米量级并能应用到光纤到户接入网中。
Description
技术领域
本发明涉及三重波分复用器(Triplexer)，适用于未来的光纤到户(FTTH)接入网中。
背景技术
光三重波分复用器对无源光网络中光纤到户应用是非常重要的器件。根据ITU G.983的推荐，它能够滤出三个设定的波长，即1310nm上行信号，1490nm和1550nm两个下行信号。目前，平面光波回路(PLC)技术是制作这样低价器件的最有前途的选择，已经发展商用化。而基于阵列波导光栅技术的这样复用器已经广泛应用于粗波分复用和密集波分复用系统中。这些技术有很多优点，如容易集成，高效且可靠。但是，这些传统光三重波分复用器件却有一个显著的缺点，即尺寸较大，在微米到毫米量级，远远达不到集成光电子器件的需要。新的基于光子晶体波导的光三重波分复用器件能够克服以上的缺点，组成更小的器件，对实现高度光集成是光明的选择。
光子晶体是介质材料组成人工周期性结构。在1987年，Yablonovitch 和John发现了这种周期性介质结构能够在特定频率范围内产生带隙。带隙内设计的缺陷模能够用来随意控制光子的流动。迄今为止，很多光通信器件已经基于光子晶体。通道下路滤波器是光子集成回路的关键器件，可以用作复用器，开关以及定向耦合器。Kim等提出了一种带反射反馈的三端口通道下路滤波系统。在这个结构中，由于在主波导末端的全反射，通道下路效率被提高到100%。基于三端口系统的理论模型，一个波长选择性的反射微腔被广泛应用在复用器及解复用器中去提高传输下路效率。与传统光器件相比，基于光子晶体的器件尺寸为纳米量级提高了通道的集成密度。基于此，一些研究者设计实现了基于高折射率介质柱方形晶格排列的三重波分复用器件，但是这种光子晶体没有比高折射率平板上六角晶格空气孔排列的光子晶体容易制作，基于高折射率平板上六角晶格空气孔排列的微米量级光子晶体三重波分复用器件还没得到实现。
发明内容
为了克服已有三重波分复用器的制作困难、实用性较差、不能适用于光纤到户接入网的不足，本发明提供一种便于制作、实用性强、具有微米量级并能应用到光纤到户接入网中的基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，所述光子晶体三重波分复用器采用高折射率平板上六角晶格空气孔排列的二维光子晶体，所述光子晶体三重波分复用器包括四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔；所述四根光子晶体线缺陷波导分别通过改变一排介质柱半径获得，分别是输入波导、第一通道、第二通道以及第三通道；所述两个光子晶体点缺陷微腔分别通过改变某些近邻介质柱的半径获得，其中一个缺陷微腔为波长1490nm下路微腔，另一个缺陷微腔为波长1310nm下路微腔, 两个微腔分别放置在输入波导两侧；第二通道和第三通道分别与1490nm和1310nm下路微腔相连，输入波导末端与第一通道通过一个用以控制1550nm波长的信号直接从第一通道传播到输入波导的折叠定向耦合结构相连。
进一步，通过调整折叠定向耦合波导中上方波导末端的空气介质柱的位置调整发射反馈相位，使得1490nm波长的信号完全下路到第二通道。
再进一步，通过调整共振波长为1490nm和1310nm两个微腔之间的输入波导部分，即这段波导中两侧的介质柱半径被增大或者减小来调整反射反馈相位，使得1310nm波长光完全从第三通道下路。
更进一步，根据光子晶体的晶格常数和介质折射率计算能带，光子晶体线缺陷波导选定三个波长1310nm， 1490nm及1550nm对应的三个归一化频率，且波导都是单模传输。
本发明的技术构思为：基于高折射率平板上六角晶格空气孔排列的二维光子晶体，为了使得器件结构在获得高效率的同时尽可能尺寸微小，在输入波导末端设计了一个折叠定向耦合结构作为反射反馈。
为了实现这样的目的，在本发明的技术方案中，首先结合光子晶体的晶格常数和介质折射率，通过能带计算，设计合适的光子晶体线缺陷波导，选定三个波长1310nm， 1490nm及1550nm对应的三个归一化频率，在这三个频率，波导都是单模传输。
其次，设计基于这种二维光子晶体的FTTH用三重波分复用器件(Triplexer)，由四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔构成。四根光子晶体线缺陷波导分别通过改变一排介质柱半径获得，分别是输入波导、第一通道、第二通道以及第三通道。两个光子晶体点缺陷微腔分别通过改变某些近邻介质柱的半径获得，其中一个用作波长1490nm下路微腔，另一个用作波长1310nm下路微腔, 两个微腔分别放置在输入波导两侧。第二通道和第三通道分别与1490nm和1310nm下路微腔相连。输入波导末端与第一通道通过一个折叠定向耦合器相连。调整这个折叠定向耦合器可以使得1550nm波长光能够直接从第一通道传播到输入波导。通过调整折叠定向耦合器中上方波导末端的空气介质柱的位置可以调整发射反馈相位，使得1490nm波长完全下路到第2通道。通过调整共振波长为1490nm和1310nm两个微腔之间的输入波导部分，即这段波导中两侧的介质柱半径被增大或者减小来调整反射反馈相位，可以使得1310nm波长光完全从第三通道下路。
本发明中的折叠定向耦合器由输入波导末端及第一通道开始端平行放置而形成，输入波导末端与完好的光子晶体晶格结构相连，第一通道开始端也与完好的光子晶体晶格结构相连，两波导之间相隔若干排晶格排列。
本发明的三重波分复用器件基于高折射率平板上六角晶格空气孔排列的光子晶体设计，能够实现1550nm波长光以95%效率上路，以及1310nm和1490nm 两个波长光的95%效率下路。其优点在于利用折叠耦合结构使得这个三重波分复用器件结构微小，在微米量级，能够应用在未来的光纤到户(FTTH)接入网中作为三重波分复用器件。
本发明的有益效果主要表现在：便于制作、实用性强、具有微米量级并能应用到光纤到户接入网中。
附图说明
图1 为一种空气介质圆柱在高折射率平板中的二维六角晶格光子晶体的示意图。
图2 为基于二维六角形晶格光子晶体的三重波分复用器件结构图。
图3 为基于二维六角形晶格光子晶体三重波分复用器件结构中折叠定向耦合结构的色散曲线的示意图。
图4 为该三重波分复用器件结构的传输强度谱的示意图。
图5 为在三个波长(频率)位置时，该三重波分复用器件结构的上行和下行稳态光波传播模式图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，所述光子晶体三重波分复用器采用高折射率平板上六角晶格空气孔排列的二维光子晶体，所述光子晶体三重波分复用器包括四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔；所述四根光子晶体线缺陷波导分别通过改变一排介质柱半径获得，分别是输入波导(2)、第一通道(4)、第二通道(6)以及第三通道(8)；所述两个光子晶体点缺陷微腔分别通过改变某些近邻介质柱的半径获得，其中一个缺陷微腔为波长1490nm下路微腔(9)，另一个缺陷微腔为波长1310nm下路微腔(10), 两个微腔分别放置在输入波导(2)两侧；第二通道(6)和第三通道(8)分别与1490nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)相连，输入波导(2)末端与第一通道(4)通过一个用以控制1550nm波长的信号直接从第一通道(4)传播到输入波导(2)的折叠定向耦合器(11)；
通过调整折叠定向耦合波导中上方波导末端的空气介质柱的位置调整发射反馈相位，使得1490nm波长的信号完全下路到第二通道(4)。通过调整共振波长为1490nm和1310nm两个微腔之间的输入波导部分，即这段波导中两侧的介质柱半径被增大或者减小来调整反射反馈相位，使得1310nm波长光完全从第三通道(6)下路。
根据光子晶体的晶格常数和介质折射率计算能带，光子晶体线缺陷波导选定三个波长1310nm， 1490nm及1550nm对应的三个归一化频率，且波导都是单模传输。
图1为本发明的二维六角形晶格光子晶体结构示意图。这种二维光子晶体由在高折射率平板上沿x和y方向按六角形晶格排列空气介质圆柱获得，空气介质圆柱沿与纸面垂直的z方向放置，周围为高折射率材料。如图1所示，相邻两空气圆柱中心之间的距离称为晶格常数，长度为a。介质圆柱的半径为r。这里，光子晶体波导通过改变光子晶体结构中一排或一列空气柱的半径获得。
图2为本发明的基于二维六角形晶格光子晶体的三重波分复用器件结构示意图。首先结合光子晶体的晶格常数和介质折射率，通过能带计算，设计合适的光子晶体线缺陷波导，选定三个波长1310nm, 1490nm及1550nm对应的三个归一化频率，在这三个频率，波导都是单模传输。其次，设计基于这种二维光子晶体的折叠定向耦合器(11)，使得1550nm波长光能够直接从输入波导 (2)传输到第一通道 (4)，而1310nm及1490nm两个波长光都被该折叠定向耦合结构完全反射。
设计基于这种二维光子晶体的FTTH用三重波分复用器件(Triplexer)，由四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔构成。四根光子晶体线缺陷波导分别通过改变一排介质柱半径获得，分别是输入波导(2)、第一通道(4)、第二通道(6)以及第三通道(8)。两个光子晶体点缺陷微腔分别通过改变某些近邻介质柱的半径获得，其中一个用作波长1490nm下路微腔(9)，另一个用作波长1310nm下路微腔(10), 两个微腔分别放置在输入波导(2)两侧。第二通道(6)和第三通道(8)分别与1490nm 下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)相连。输入波导(2)末端与第一通道(4)通过一个折叠定向耦合器(11)相连。调整这个折叠定向耦合器(11)可以使得1550nm波长光能够直接从第一通道 (4)传播到输入波导 (2)。通过调整折叠定向耦合器中上方波导末端的空气介质柱的位置可以使得1490nm波长光完全下路到第二通道(6)。通过调整共振波长1490nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)之间的输入波导(2)部分，即这段波导中两侧的介质柱半径被增大或者减小来调整反射反馈相位，可以使得1310nm波长光完全从第三通道(8)下路。
如图4所示，显示了该三重波分复用器件结构的传输强度谱。即从输入波导输入脉冲光，用有限时域差分法计算这个三重波分复用器件结构得到的传输强度谱。在归一化频率 ，对应波长1550nm，在该波长以高效率从输入波导(2)到第一通道(4)，光路可逆，图５(a)显示了该波长连续光从第一通道(4)端口(3)以高于95%效率传输到输入波导(2)端口(1)，这个稳态波长模式图证实了这一点。在归一化频率
，对应波长1490nm，在该波长以高效率从输入波导(2)端口(1)到传输到第二通道(6)端口(5)，图５(b)显示了该波长连续光从输入波导(2)端口(1)以高于95%效率传输到第二通道(6)端口(5)，这个稳态波长模式图证实了这一点。 在归一化频率
，对应波长1310nm，在该波长以高于95%效率从输入波导(2)端口(1)到第三通道(8)端口(7)，图５(c)显示了该波长连续光从输入波导(2)端口(1)以高效率传输到第三通道(8)端口(7)，这个稳态波长模式图证实了这一点。
实例：二维六角形晶格光子晶体的三重波分复用器件。二维光子晶体由高折射率介质平板上按六角形晶格排列的空气孔圆柱构成，高折射率介质平板折射率是3.42。空气介质圆柱半径是0.33a，这里a是晶格常数，等于350.517nm。这种光子晶体仅仅有磁场方向平行于介质柱的TE模光子带隙存在，归一化频率范围是
, 这里是光在自由空间的波长。输入波导(2)和第一通道(4)在x方向通过去除一排空气柱而获得，折叠定向耦合器(11)由输入波导(2)末端及第一通道(4)开始端平行放置而形成，输入波导(2)末端与完好的光子晶体晶格结构相连，第一通道(4)末端也与完好的光子晶体晶格结构相连，两波导之间相隔三排晶格排列，中间的一排晶格空气介质柱半径增大到0.4a, 长度为8a，如图２所示。图3显示了这个波导构成的折叠定向耦合器(11)的色散关系曲线，三个波长1310nm、1490nm以及1550nm的位置分别显示在图中的点虚线、虚线以及实线位置，在归一化频率和
，即波长1490nm和1310nm，折叠定向耦合器(11)的奇偶超级模并没有分裂，处于退耦点以上，所以从输入波导(4)传输到折叠定向耦合器(11)会发生完全的反射。结合图3中折叠定向耦合器(11)的色散关系曲线，在归一化频率
，即波长1550nm，奇偶超级模的传播常数
和
分别是和，所以该波长能量光转移长度为8.6a，该定向耦合长度为8a，所以第一通道(4)中的输入光几乎完全传输到输入波导(2)中。
设计基于这种二维光子晶体的三重波分复用器件，由四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔构成。四根光子晶体线缺陷波导分别通过改变一排介质柱半径获得，分别是输入波导(2)、第一通道(4)、第二通道(6)以及第三通道(8)。其中输入波导(2)和第一通道(4)分别通过去掉一排沿x方向去除空气孔圆柱介质获得，而第二通道(6)以及第三通道(8)则通过去除与x方向成60度或120度角的一排空气孔圆柱获得。两个光子晶体点缺陷微腔分别通过改变某些近邻介质柱的半径获得，其中一个用作波长1490nm下路微腔(9)，另一个用作波长1310nm下路微腔(10), 两个微腔分别放置在输入波导两侧。第二通道(6)和第三通道(8)分别与1490nm下路微腔(9)和1310nm下路微腔(10)相连。如图2所示，用作波长1490nm下路微腔(9)中主要通过增大一个较大的空气孔圆柱半径
而获得，同时减少其下方紧邻的两个空气圆柱孔半径
。用作波长1310nm下路微腔(10)中主要通过增大一个较大的空气孔圆柱半径
而获得，同时增大其下方紧邻的一个空气圆柱孔半径
，除此之外其余最近邻的五个空气圆柱半径
，1310nm下路微腔(10)与第三通道(8)最近邻的空气圆柱半径增大到
。为了使得折叠定向耦合器(11)末端的反射光被完全正反馈到1490nm下路微腔(9)，即从输入波导(2)开始端的1490nm输入光以高于95%的效率从第二通道(6)下路，输入波导(2)末端的介质空气柱圆柱
从原有的晶格位置向左移动0.15a，如图２所示。为了使得折叠定向耦合器(11)末端的反射光被正反馈到1310nm下路微腔(10)，即从输入波导(2)开始端的1310nm输入光以高于95%的效率从第三通道(8)下路，在两个微腔之间的输入波导两侧的空气孔半径被减小到
，被调整的这段距离是2a，如图２所示。
如图4所示，显示了该三重波分复用器件结构的传输强度谱。即从输入波导(2)输入脉冲光，用有限时域差分法计算这个三重波分复用器件结构得到的传输强度谱。在归一化频率
，对应波长1550nm，在该波长以高于95%的效率从第一通道(4)端口(3)传输到输入波导(2)端口(1)，光路可逆，图５(a)显示了该波长连续光从第一通道(4)端口(3)以高于95%的效率传输到输入波导(2)端口(1)，这个稳态波长模式图证实了这一点。 在归一化频率
，对应波长1490nm，在该波长以高于95%的效率从输入波导(2)端口(1)到传输到第二通道(4)端口(3)，图５(b)显示了该波长连续光从输入波导(2)端口(1)以高效率传输到第二通道(4)端口(3)，这个稳态波长模式图证实了这一点。 在归一化频率
，对应波长1310nm，在该波长以高于95%的效率从输入波导(2)端口(1)到第三通道(8)端口(7)，图５(c)显示了该波长连续光从输入波导(2)端口(1)以高于95%的效率传输到第三通道(8)端口(7)，这个稳态波长模式图证实了这一点。
本发明的三重波分复用器件基于高折射率平板上六角晶格空气孔排列的光子晶体，能够实现1550nm波长光以95%效率上路，以及1310nm和1490nm 两个波长光的95%效率下路。其优点在于利用折叠耦合结构使得这个三重波分复用器件结构微小，在微米量级，能够应用在未来的光纤到户(FTTH)接入网中作为三重波分复用器件。
Claims (4)
1.一种基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，其特征在于：所述光子晶体三重波分复用器采用高折射率平板上六角晶格空气孔排列的二维光子晶体，所述光子晶体三重波分复用器包括四根光子晶体线缺陷波导和两个光子晶体点缺陷微腔；所述四根光子晶体线缺陷波导分别通过改变一排介质柱半径获得，分别是输入波导(2)、第一通道(4)、第二通道(6)以及第三通道(8)；所述两个光子晶体点缺陷微腔分别通过改变某些近邻介质柱的半径获得，其中一个缺陷微腔为波长1490nm下路微腔 (9)，另一个缺陷微腔为波长1310nm下路微腔 (10), 两个微腔分别放置在输入波导(2)两侧；第二通道(6)和第三通道(8)分别与1490nm nm下路微腔 (9)和1310nm下路微腔 (10)相连，输入波导(2)末端与第一通道(4)通过一个用以控制1550nm波长的信号直接从第一通道(4)传播到输入波导(2)的折叠定向耦合器(11)相连。
2.如权利要求1所述的基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，其特征在于：通过调整折叠定向耦合器(11)中上方波导末端的空气介质柱的位置调整发射反馈相位，使得1490nm波长的信号完全下路到第二通道(6)。
3.如权利要求1或2所述的基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，其特征在于：通过调整共振波长为1490nm下路微腔 (9)和 1310nm下路微腔 (10)之间的输入波导(2)部分，即这段波导中两侧的介质柱半径被增大或者减小来调整反射反馈相位，使得1310nm波长光完全从第三通道(8)下路。
4.如权利要求1或2所述的基于光纤到户应用的光子晶体三重波分复用器，其特征在于：根据光子晶体的晶格常数和介质折射率计算能带，光子晶体线缺陷波导选定三个波长1310nm， 1490nm及1550nm对应的三个归一化频率，且波导都是单模传输。
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