CN102122026B - 基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，包括一个四方晶格光子晶体W1波导，在光子晶体W1波导的出口端两侧的光子晶体表面各含有一行半径不同的缺陷层四方晶格光子晶体介质柱，并在光子晶体W1波导出口端附近有一缺陷腔；在该缺陷腔的外侧含有一列起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，该四方晶格光子晶体介质柱与该缺陷腔一起调节光场分布。利用本发明，解决了传统分束器面积较大、传输效率低及消光比小的问题。

Description

基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器
技术领域
本发明涉及半导体光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器。
背景技术
光子晶体具有光子禁带、抑制原子和分子的自发辐射等特点，过去的20多年里，在全世界范围引起了人们的广泛兴趣，并受到了广泛研究。理论和实验研究都表明，在光子晶体中引入缺陷，就可以在光子禁带中引入缺陷态，实现对光的局域，增强光和物质的相互作用，为光子晶体在低阈值甚至无阈值激光器、分束器等方面的应用提供了广泛的前景，为高密度光集成、高效的光互联的实现奠定了坚实的基础。
由于光子晶体具有光子禁带，频率落在光子晶体禁带的光无法在光子晶体中传播，在光子晶体中引入线缺陷，可以在光子晶体禁带中引入传导模式。由于传导模式的频率落在禁带中，因而无法在光子晶体中传播，可以很好的局域在线缺陷中，并在线缺陷中传播，这是传统光子晶体波导，即光子晶体禁带波导的物理基础。传统的光子晶体波导两侧都需要光子晶体结构来起到局域光场的作用，特别地对于光子晶体禁带分束器，光场在分支处会有很大一部分的能量反射回入射波导，因而降低了传输效率。
虽然在分束器分支处对几何结构进行调整，例如调整空气孔或介质柱的大小和位置，甚至改变空气孔和介质柱的几何形状，可以在一定程度上提高传输效率，但是设计过程中涉及拓扑学等复杂的理论，并不具有很好的推广意义。因而基于一种新的波导传播机理设计分束器就具有非常重要的意义。在光子晶体表面引入一行线缺陷可以在光子晶体表面产生表面态，由于表面态不是辐射模式，因而可以很好的局域在光子晶体的表面，并在光子晶体表面高效传输，基于此，利用光子晶体W1波导和W1波导两侧光子晶体表面的不同的表面态可以实现分束器。
在光子晶体W1波导两侧光子晶体各引入的一行缺陷层，可以产生频率不同的表面态，实现光的90°弯折，但是此时光的大部分能量直接沿着W1波导向外传播，耦合至W1波导两侧的表面模式的能量较小，因而需要对W1波导以及两侧的表面模式进行调整，从而提高分束器的高效率传输和零反射，目前尚无文献报道。
综上所述，目前在快速蓬勃发展的光互连、光集成的进程中，设计一种面积更小、透射效率更高、反射率更低、消光比更高的分束器是分束器设计的首要目标。基于光子晶体表面模设计的光子晶体分束器相比与传统的分束器面积减小了约一半，同时通过对分束器中W1波导出口端的结构进行调整，可以实现分束器的高效率传输，因而基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器是实现小面积、高传输率、低反射率、高消光比的分束器的重要选择之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，以解决传统分束器面积较大、传输效率低及消光比小的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，该分束器包括一个四方晶格光子晶体W1波导，在光子晶体W1波导的出口端两侧的光子晶体表面各含有一行半径不同的缺陷层四方晶格光子晶体介质柱，并在光子晶体W1波导出口端附近有一缺陷腔；在该缺陷腔的外侧含有一列起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，该四方晶格光子晶体介质柱与该缺陷腔一起调节光场分布。
上述方案中，所述四方晶格光子晶体介质柱采用的材料为半导体材料。所述半导体材料为InP。
上述方案中，所述四方晶格光子晶体介质柱中四方晶格光子晶体具有横磁模光子晶体带隙。
上述方案中，所述光子晶体W1波导是由四方晶格光子晶体沿Γ-K方向去除一列介质柱而形成的。
上述方案中，所述缺陷层四方晶格光子晶体介质柱的半径小于光子晶体的周期介质柱半径，并且左侧和右侧一行缺陷层四方晶格光子晶体介质柱的半径不相等，半径较小的一行介质柱用于传导通信波长1.31μm附近的光束，半径较大的一行介质柱用于传导通信波长1.55μm附近的光束。
上述方案中，所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，其半径与光子晶体周期介质柱的半径相等。
上述方案中，所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱与光子晶体W1波导出口端附近的缺陷腔一起调节光场的分布，实现分束器的高效输出。
上述方案中，所述缺陷腔周围的四个介质柱的半径小于光子晶体周期介质柱的半径，该缺陷腔与光子晶体W1波导出口端外侧的起反射作用的光子晶体介质柱一起调控光场，实现分束器的高消光比和高效输出。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，利用“在光子晶体表面引入半径较小的一行缺陷介质柱，可以在光子晶体表面产生表面态，表面态是非辐射的，可以紧紧的局域在光子晶体的表面，并沿着光子晶体的表面传播”和“表面态的特性随光子晶体表面介质柱半径变化比较敏感”这两个特性，从而解决了传统分束器“面积较大、传输效率低、消光比小”等问题。
2、本发明提供的这种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，由于“在光子晶体表面引入半径较小的一行缺陷介质柱，可以在光子晶体表面产生表面态，表面态是非辐射的，可以紧紧的局域在光子晶体的表面，并沿着光子晶体的表面传播”，以及“表面态的特性随光子晶体表面介质柱半径变化比较敏感”这两个特性，为基于表面态设计高效传输的分束器的提供了物理依据。
3、本发明提供的这种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，由于在光子晶体W1波导出口端外侧含有一行晶体介质柱起反射作用，同时对W1波导出口端构成缺陷腔的4个介质柱的半径作了微调，使其具有调节光场分布的作用，因而实现了高消光比的分束，这是本发明优于传统的分束器的显著优势之一。
4、本发明提供的这种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，由于光子晶体具有尺度效应，因而可以根据不同的需要，通过改变晶格常数，设计所需要的各个特定波长。左侧波导输出波长通常可以锁定通信波长1.31μm附近，消光比为49.18db，右侧波导输出波长通常可以锁定通信波长1.55μm附近，消光比达到14.4db。
附图说明
图1为本发明提供的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器的示意图。其中采用的介电系数ε＝11.56，周期介质柱半径r＝0.18a(a为晶格常数)；分束器出口端的左侧一行缺陷介质柱的半径r＝0.09a，右侧一行缺陷介质柱的半径r＝0.13a。
图2(a)是1×40超元胞，图2(b)是表面模的模场分布，图2(c)为图1光子晶体在Γ-K方向的能带图。
图3为W1波导出口端的一行缺陷介质柱的半径变化时，由平面波展开方法和有限差分时域方法计算得到的表面态频率。
图4为本发明提供的微调之后的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器。其中采用的介电系数ε＝11.56，周期介质柱半径r＝0.18a(a为晶格常数)；分束器出口端的左侧一行缺陷介质柱的半径r＝0.09a，右侧一行缺陷介质柱的半径为r＝0.13a；分束器出口端的缺陷腔的四个介质柱的半径为r＝0.09a；分束器出口端的缺陷腔外侧的一列介质柱(3个)的半径为r＝0.18a。
图5为不同波长范围下，本发明提供的分束器的消光比10×1g(I左/I右)。
图6为波长为1.31μm的光在图4结构中传播，稳定后的模场分布图。
图7为波长为1.55μm的光在图4结构中传播，稳定后的模场分布图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
由于在光子晶体表面引入半径较小的一行缺陷介质柱，因而将在光子晶体表面产生表面态，表面态是非辐射的，可以紧紧的局域在光子晶体的表面，并沿着光子晶体的表面传播，这是基于光子晶体表面态设计二维光子晶体分束器的一个理论依据。
本发明提供的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，包括一个四方晶格光子晶体W1波导，在光子晶体W1波导的出口端两侧的光子晶体表面各含有一行半径不同的缺陷层四方晶格光子晶体介质柱，并在光子晶体W1波导出口端附近有一缺陷腔；在该缺陷腔的外侧含有一列起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，该四方晶格光子晶体介质柱与该缺陷腔一起调节光场分布。
其中，四方晶格光子晶体介质柱采用的材料为半导体材料，例如InP等。四方晶格光子晶体介质柱中四方晶格光子晶体具有横磁模光子晶体带隙，光子晶体W1波导是由四方晶格光子晶体沿Γ-K方向去除一列介质柱而形成的。
所述缺陷层四方晶格光子晶体介质柱的半径小于光子晶体的周期介质柱半径，并且左侧和右侧一行缺陷层四方晶格光子晶体介质柱的半径不相等，半径较小的一行介质柱用于传导通信波长1.31μm附近的光束，半径较大的一行介质柱用于传导通信波长1.55μm附近的光束。
所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，其半径与光子晶体周期介质柱的半径相等。所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱与光子晶体W1波导出口端附近的缺陷腔一起调节光场的分布，实现分束器的高效输出。
所述缺陷腔周围的四个介质柱的半径小于光子晶体周期介质柱的半径，该缺陷腔与光子晶体W1波导出口端外侧的起反射作用的光子晶体介质柱一起调控光场，实现分束器的高消光比和高效输出。
实施例一
图1为本发明提供的简单的、未进行调整的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器。采用的参数如下：
介电系数ε＝11.56。
周期介质柱半径r＝0.18a(a为晶格常数)。
分束器出口端的左侧一行缺陷介质柱的半径r＝0.09a，右侧一行缺陷介质柱的半径为r＝0.13a。
分束器出口端的缺陷腔的四个介质柱的半径r＝0.09a。
分束器出口端的缺陷腔外侧的一列介质柱(3个)的半径为0.18a。
图2(a)是1×40超元胞，图2(b)是表面模的模场分布，图2(c)为图1光子晶体在Γ-K方向的能带图。
图3为W1波导出口端的一行缺陷介质柱的半径变化时，由平面波展开方法和有限差分时域方法计算得到的表面态频率。
图4为本发明提供的微调之后的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器。其中采用的介电系数ε＝11.56，周期介质柱半径r＝0.18a(a为晶格常数)；分束器出口端的左侧一行缺陷介质柱的半径r＝0.09a，右侧一行缺陷介质柱的半径为r＝0.13a；分束器出口端的缺陷腔的四个介质柱的半径为r＝0.09a；分束器出口端的缺陷腔外侧的一列介质柱(3个)的半径为r＝0.18a。
图5为不同波长范围下，本发明提供的分束器的消光比10×1g(I左/I右)。消光比的极大值在归一化频率0.382(2πc/a)取得；消光比的极小值在归一化频率0.335(2πc/a)取得。
图6为波长为1.31μm的光在图4结构中传播，稳定后的模场分布图。可以看到由于表面模式的引入，大部分能量沿着分束器的左侧分支传输，并且在分束器左侧分支传输的能量很好的局域在光子晶体表面的一行介质柱中。同时，由于在W1波导出口端外侧引入了一列介质柱，因而直接沿着W1波导传输到空气的能量很小。可以看到能量主要沿着左侧波导传输，右侧波导传输的能量几乎为0，消光比为49.18db。
图7为波长为1.55μm的光在图4结构中传播，稳定后的模场分布图。在改进的分束器中，可以看到由于表面模式的引入，大部分能量沿着分束器的右侧分支传输，并且在分束器右侧分支传输的能量很好的局域在光子晶体表面的一行介质柱中。同时，由于在W1波导出口端外侧引入了一列介质柱，因而直接沿着W1波导传输到空气的能量很小。另外由于在W1波导出口端引入了一个缺陷腔，使得W1波导中的能量较好的耦合到分束器的右侧分支中。可以看到能量主要沿着右侧波导传输，左侧波导传输的能量较小，消光比为14.4db。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，该分束器包括一个四方晶格光子晶体W1波导，在光子晶体W1波导的出口端两侧的光子晶体表面各含有一行半径不同的缺陷层四方晶格光子晶体介质柱，并在光子晶体W1波导出口端附近有一缺陷腔；在该缺陷腔的外侧含有一列起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，该四方晶格光子晶体介质柱与该缺陷腔一起调节光场分布。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述缺陷层四方晶格光子晶体介质柱和所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱采用的材料均为半导体材料。
3.根据权利要求2所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述半导体材料为InP。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述缺陷层四方晶格光子晶体介质柱和所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱中四方晶格光子晶体具有横磁模光子晶体带隙。
5.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述光子晶体W1波导是由四方晶格光子晶体沿Γ-K方向去除一列介质柱而形成的。
6.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述缺陷层四方晶格光子晶体介质柱的半径小于光子晶体的周期介质柱半径，并且左侧和右侧一行缺陷层四方晶格光子晶体介质柱的半径不相等，半径较小的一行介质柱用于传导通信波长1.31μm附近的光束，半径较大的一行介质柱用于传导通信波长1.55μm附近的光束。
7.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱，其半径与光子晶体周期介质柱的半径相等。
8.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述起反射作用的四方晶格光子晶体介质柱与光子晶体W1波导出口端附近的缺陷腔一起调节光场的分布，实现分束器的高效输出。
9.根据权利要求1所述的基于光子晶体表面态的二维光子晶体分束器，其特征在于，所述缺陷腔周围的四个介质柱的半径小于光子晶体周期介质柱的半径，该缺陷腔与光子晶体W1波导出口端外侧的起反射作用的光子晶体介质柱一起调控光场，实现分束器的高消光比和高效输出。
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