CN103529513B - 一种光子晶体微腔共振波长的调节方法 - Google Patents
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Abstract
一种光子晶体微腔共振波长的调节方法，包括如下步骤：（1）根据光子晶体晶格常数求出带隙范围，光子晶体微腔包括正方晶格光子晶体和波长选择性点缺陷微腔；（2）根据目标波长调节微腔的一个介质圆柱半径r2，使共振波长λ最接近目标波长；（3）微调所述微腔的其他四个介质圆柱的半径r3，如果能使共振波长更加接近目标波长，则改变r3；（4）微调所述微腔的一个介质圆柱的折射率差Δn2，如果Δn2的变化能使共振波长更加接近目标波长，则改变Δn2；（5）微调所述微腔的其他四个介质圆柱Δn3，选择出与目标波长最接近的共振波长对应的Δn3；（6）采用上述结构参数的光子晶体微腔，实现精确的共振波长。本发明精确度较高、有效满足波分复用系统对器件越来越严格的要求。
Description
技术领域
本发明属于光子晶体的应用技术领域，具体涉及一种光子晶体微腔共振波长调节方法，适用于光通信中波长选择的滤波和波分复用系统。
背景技术
波分复用技术（WDM）可以实现带宽大容量、长距离传输，现已被广泛应用于光通信系统中。WDM技术在传输线路的输入端将多路信号复用到一起，在输出端需要用解复用器将不同波长的信号分离出来，而且在传输过程中难免产生干扰信号，需要用到滤波器将干扰信号虑除。随着光通信用户数量及承载业务量的增加，信道的中心波长越来越精确，信道波长间隔越来越小，这对光通信器件提出了更高的要求。因此研制出尺寸更小、更易于集成、波长更加精确的光学器件成为重要的研究方向之一。另一方面，光子晶体的研究已成为集成光学的研究热点之一。光子晶体是一种介电常数呈周期性变化，晶格常数与光波长可比拟的新型人工材料。光子晶体的带隙效应可禁止某些波长的光在其中传播，如果在光子晶体中引入线缺陷，即改变几个相邻介质圆柱的半径或介电常数，可使得光仅在线缺陷形成的波导中传播。光子晶体的另一个重要特征是光子局域，即如果在光子晶体中引入点缺陷，那么与缺陷频率一致的光子将被局域在缺陷位置。光子带隙效应和光子局域结合起来可制作成各种器件，主要思想是通过线缺陷波导将带隙范围内的光传播至缺陷位置处，不同的缺陷具有不同的共振频率，与缺陷频率吻合的光波将被下载下来，从而实现滤波或解复用功能。无论是滤波器还是波分解复用器，核心技术问题均是波长的精确调节。
目前，基于光子晶体缺陷的解复用器或滤波器主要有四种类型：第一种是基于定向耦合作用(崔乃迪，寇婕婷，梁静秋等.跑道型结构光子晶体波导定向耦合器[J].发光学报，2013，34(3):375～380.)，不同频率的光会沿着不同耦合长度的波导传播，从而达到选频的目的。此种滤波器以耦合长度为选频的主要手段，势必增加器件的尺寸，不利于大规模集成，且传输损耗与串扰较大；第二种是基于光子晶体微环波导共振(陈东旭，朋汉林，张翔.光子晶体微环插分滤波器的理论分析与数值模拟[J].光学与光电技术,2012,10(3):85～87.)，这种解复用器由圆环形线缺陷波导构成，由于微环转弯处后向反射光的存在，导致共振频率出现非周期性；第三种是基于表面膜微环共振的解复用器(浙江工业大学.基于二维光子晶体表面膜的微环共振滤波器[P];中国，CN101697023A.2010-04-21.)，这种器件虽然能克服微环共振解复用器非周期性的不足，但共振周期难以实现精确控制；第四种是基于点缺陷微腔的解复用器(上海交通大学.基于二维光子晶体的波分解复用器[P].中国，CN101252407A.2008-08-27.)，这种器件的波长选择微腔通过改变一个介质圆柱的半径获得，在一定范围内可调节中心波长和周期，但调节的精确度不够，某些特定波长或周期难以实现，不能满足波分复用系统对器件越来越严格的要求。
发明内容
为了克服已有光子晶体微腔共振波长的调节方式的精确度较差、不能满足波分复用系统对器件越来越严格的要求的不足，本发明提供一种精确度较高、有效满足波分复用系统对器件越来越严格的要求的光子晶体微腔共振波长的调节方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种光子晶体微腔共振波长的调节方法，包括如下步骤：
（1）根据光子晶体晶格常数求出带隙范围，保证微腔的共振波长在带隙范围内；所述光子晶体微腔包括正方晶格光子晶体和波长选择性点缺陷微腔，所述二维光子晶体由高折射率介质圆柱在空气中按照正方晶格排列构成；所述波长选择性点缺陷微腔包括五个高折射率的介质圆柱，其中一个介质圆柱处于微腔中心，其他四个介质圆柱为其最近邻的四个介质圆柱，且该其他四个介质圆柱的半径及折射率相同；Δn2为所述微腔的一个介质圆柱与空气折射率之差，Δn3为与所述微腔的其他四个介质圆柱与空气的折射率之差，当Δn3和Δn2的变化量相同时，由Δn3的变化引起的共振波长的改变要比Δn2的变化引起的共振波长要小；
（2）根据目标波长调节微腔的一个介质圆柱半径r2，每次半径调节的变化量为0.001μm，即1nm，使共振波长λ最接近目标波长；
（3）微调所述微腔的其他四个介质圆柱的半径r3，变化量也为0.001μm，如果能使共振波长更加接近目标波长，则改变r3；如果r3调节以后远离目标波长，则保持r3不变；
（4）微调所述微腔的一个介质圆柱的折射率差Δn2，变化量为0.01，如果Δn2的变化能使共振波长更加接近目标波长，则改变Δn2；如果Δn2调节以后共振波长并没有更加接近目标波长，则Δn2的值保持不变；
（5）微调所述微腔的其他四个介质圆柱Δn3，Δn3的变化量也为0.01，选择出与目标波长最接近的共振波长对应的Δn3。
（6）根据目标波长确定光子晶体的结构参数，即所述微腔的一个介质圆柱的半径r2、所述微腔的其他四个介质圆柱的半径r3、所述微腔的一个介质圆柱的折射率Δn2、所述微腔的其他四个介质圆柱的折射率Δn3，采用上述结构参数的光子晶体微腔，实现精确的共振波长。
进一步，所述步骤（1）中，根据光子晶体介质圆柱的半径r1和光子晶体高折射率介质圆柱与空气折射率之差Δn1，用平面波展开法求出带隙范围。
本发明的技术构思为：随着WDM技术的发展，波长间隔越来越小，波长精确度越来越高。用于WDM系统的器件不仅要满足尺寸尽可能小的要求，并且中心波长精确度要尽量高。光子晶体晶格尺寸在微米量级，具有大规模集成的可能性。由于其独特的光子带隙及光子局域效应，可制作成各种功能器件，如滤波器、波分复用/解复用器等，这些器件必须满足共振频率可调且精确度高的要求。正方晶格光子晶体点缺陷微腔共振频率会随着微腔中心及与其最近邻四个介质圆柱的半径及折射率的变化而变化。如果只调节点缺陷微腔缺陷中心的介质圆柱半径，会发现微腔的共振频率并不是线性连续可调的，难以实现共振波长的精确控制。因此，需要改变其他介质圆柱参数来达到精确调节共振频率的目的。研究发现，在正方晶格光子晶体中，与中心缺陷介质圆柱最近邻的四根介质圆柱的半径和折射率与微腔共振频率存在一定的数值关系。通过模拟计算得出这四种关系，即正方晶格光子晶体点缺陷微腔共振频率与中心缺陷介质圆柱半径的关系、正方晶格光子晶体点缺陷微腔共振频率与中心缺陷介质圆柱最近邻四个介质圆柱半径的关系、正方晶格光子晶体点缺陷微腔共振频率与中心缺陷介质圆柱折射率的关系、正方晶格光子晶体点缺陷微腔共振频率与中心缺陷介质圆柱最近邻四个介质圆柱折射率的关系。得出上述四种关系后可按步骤精确调节正方晶格光子晶体点缺陷微腔的共振频率。
本发明的有益效果主要表现在：1.能够实现正方晶格点缺陷微腔共振频率的精确调节，这是光子晶体微环波导共振、光子晶体表面膜微环共振和定向耦合难以实现的。2.本发明中的光子晶体微腔的尺寸较小，在1.2μm以下，适合未来集成光学大规模集成的要求，能够满足WDM系统对器件的要求。
附图说明
图1为一种二维硅介质圆柱型正方晶格光子晶体结构示意图。
图2为一种二维硅介质圆柱型正方晶格光子晶体点缺陷微腔结构示意图。
图3为光子晶体微腔共振波长与中心缺陷介质圆柱半径r2的关系图。
图4为一种基于二维正方光子晶体点缺陷微腔的波分解复用器结构示意图。
图5为输入波长为1.551μm时，该解复用器的稳态电场分布图。
图6为该解复用器的解复用光谱图。
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6，一种光子晶体微腔共振波长的调节方法，具体步骤如下：
（1）根据光子晶体晶格常数求出带隙范围，保证微腔的共振波长在带隙范围内；所述光子晶体微腔包括正方晶格光子晶体和波长选择性点缺陷微腔，所述二维光子晶体由高折射率介质圆柱在空气中按照正方晶格排列构成；所述波长选择性点缺陷微腔包括五个高折射率的介质圆柱，其中一个介质圆柱处于微腔中心，其他四个介质圆柱为其最近邻的四个介质圆柱，且该其他四个介质圆柱的半径及折射率相同；Δn2为所述微腔的一个介质圆柱与空气折射率之差，Δn3为与所述微腔的其他四个介质圆柱与空气的折射率之差，当Δn3和Δn2的变化量相同时，由Δn3的变化引起的共振波长的改变要比Δn2的变化引起的共振波长要小；
（2）根据目标波长调节微腔的一个介质圆柱半径r2，每次半径调节的变化量为0.001μm，即1nm，使共振波长λ最接近目标波长；
（3）微调所述微腔的其他四个介质圆柱的半径r3，变化量也为0.001μm，如果能使共振波长更加接近目标波长，则改变r3；如果r3调节以后远离目标波长，则保持r3不变；
（4）微调所述微腔的一个介质圆柱的折射率差Δn2，变化量为0.01，如果Δn2的变化能使共振波长更加接近目标波长，则改变Δn2；如果Δn2调节以后共振波长并没有更加接近目标波长，则Δn2的值保持不变；
（5）微调所述微腔的其他四个介质圆柱Δn3，Δn3的变化量也为0.01，选择出与目标波长最接近的共振波长对应的Δn3。
（6）根据目标波长确定光子晶体的结构参数，即所述微腔的一个介质圆柱的半径r2、所述微腔的其他四个介质圆柱的半径r3、所述微腔的一个介质圆柱的折射率Δn2、所述微腔的其他四个介质圆柱的折射率Δn3，采用上述结构参数的光子晶体微腔，实现精确的共振波长。
进一步，所述步骤（1）中，根据光子晶体介质圆柱的半径r1和光子晶体高折射率介质圆柱与空气折射率之差Δn1，用平面波展开法求出带隙范围。
本实施例中，图1为二维正方晶格光子晶体结构示意图。这种二维光子晶体由沿x和y方向正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距离称为晶格常数，长度为a。介质圆柱的半径为r。当光子晶体的结构确定时，可用平面波展开法求出其光子带隙，带隙范围内的光不能在此结构的光子晶体中传播。
图2为本发明的波长选择性点缺陷微腔示意图。其中，r1为光子晶体介质圆柱的半径，r2为所述微腔的一个介质圆柱（即光子晶体中心缺陷介质圆柱）半径，r3为所述微腔的其他四个介质圆柱（即与中心缺陷介质圆柱最近邻的四个介质圆柱）的半径；Δn1为光子晶体高折射率介质圆柱与空气折射率之差，Δn2为中心缺陷介质圆柱与空气折射率之差，Δn3为与中心缺陷介质圆柱最近邻的四个介质圆柱与空气的折射率之差。当r1和Δn1确定时，用平面波展开法求出其带隙，并求出光子晶体点缺陷微腔共振波长与r2、r3、Δn2、Δn3的数值关系，从而为满足波长需要设计具体的结构参数。
本发明的实施例是四个等波长间隔光子晶体点缺陷微腔共振波长的精确调节。基于光子晶体点缺陷微腔的解复用器的核心部分就是具有波长选择性的光子晶体点缺陷微腔。本发明方法中的四个光子晶体微腔的共振波长范围在通信窗口内，且波长间隔为20nm，适用于光通信中的稀疏波分复用系统。
实例：用于稀疏波分复用的四个波长等间隔光子晶体微腔结构参数的设计与优化。二维光子晶体由正方晶格的高折射率硅介质圆柱构成，折射率是3.4，晶格常数a为0.55μm，介质圆柱半径是0.2a。经过平面波展开法的计算，这种光子晶体没有TM模光子带隙存在，有两个TE模光子带隙存在，波长范围分别为：0.7357μm～0.7638μm，1.304μm～1.900μm。如图2所示，当r1=0.11μm，Δn1=2.4时，改变r2、r3、Δn2、Δn3四个变量中的一个，其余三个变量保持在初始值，即介质圆柱半径为0.110μm，折射率差为2.4，经过时域有限差分法的模拟并将结果线性拟合，可得到如下四个点缺陷微腔共振波长与变量的数值关系：
(1)λ＝79.2964r2 2-0.6246r2+1.4615(μm)；
(2)λ＝-31.6450r3 2+8.8347r3+0.9625(μm)；
(3)λ＝0.2253Δn2+1.0231(μm)；
(4)λ＝0.1275Δn3+1.2557(μm)
从以上四式可以看出，光子晶体微腔的共振波长λ与微腔中心缺陷介质圆柱半径r2及与中心缺陷最近邻的四个介质圆柱半径r3均不是线性关系，而与微腔中心缺陷介质圆柱折射率差Δn2及与中心缺陷最近邻的四个介质圆柱折射率差Δn3均是线性关系。
图3是微腔共振波长与中心缺陷介质圆柱半径r2的关系，十字叉代表共振波长，实线是拟合曲线。从图中可以明显看出，仅靠调节中心缺陷介质圆柱的半径无法精确调节微腔的共振波长。
为体现本发明方法的实用性，本实施例将四个目标波长设为1.491μm、1.511μm、1.531μm、1.551μm这四个光通信常用波长。经过计算与结构优化，并且通过时域有限差分法的模拟验证，得出四个点缺陷微腔的结构参数。其中，谐振波长精确到1nm，半径精确到1nm，折射率差精确到0.01.
下表是四个点缺陷微腔的结构参数：
| λ/μm | r2/μm | r3/μm | Δn2 | Δn3 |
| 1.491 | 0.022 | 0.110 | 2.40 | 2.40 |
| 1.511 | 0.029 | 0.110 | 2.47 | 2.40 |
| 1.531 | 0.034 | 0.110 | 2.42 | 2.40 |
| 1.551 | 0.038 | 0.110 | 2.40 | 2.39 |
图4是一种基于二维正方光子晶体点缺陷微腔的波分解复用器结构示意图。此器件由一根输入主波导，四根输出波导，四对光子晶体微腔构成。虚线框内为光子晶体微腔，1为光子晶体波长选择性微腔，1’为光子晶体波长选择性反射微腔，为提高输出效率，使它们之间的距离d所产生的相位差2βd是π的奇数倍，其中，β是共振频率时输入波导模的传播常数。其他三对光子晶体微腔原理与1相同。当多波长光信号从输入主波导进入解复用器时，与点缺陷微腔共振波长一致的光信号将被分离出来，从输出波导输出，实现解复用功能。
图5是输入波长为1.551μm的高斯连续波时通过时域有限差分法模拟得到的稳态场分布，它表明1.551μm的光波只能在微腔4和4’中产生共振，并从输出波导4输出，表明了光子晶体点缺陷微腔对波长的确具有选择性作用。
图6是用时域有限差分法模拟得到的该器件的解复用光谱图。从图中可以看出，参数不同的点缺陷微腔成功实现了将波长分离的功能，四信道中心波长分别为1.491μm、1.511μm、1.531μm、1.551μm，波长间隔为20nm，各信道之间几乎无串扰，符合ITUG.694.2标准对CWDM系统的要求。
本发明一种精确调节光子晶体微腔共振波长的方法，通过有步骤的调节光子晶体微腔的结构参数，可实现光子晶体微腔共振波长的精确调节功能，微腔尺寸小，适合大规模光路集成。与以前基于二维光子晶体微环波导、二维光子晶体微环表面膜共振及定向耦合选频相比，结构简单，易于实现，波长调制更加精确，对未来WDM光通信系统的发展具有重要的意义。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种光子晶体微腔共振波长的调节方法，其特征在于：所述调节方法包括如下步骤：
(1)根据光子晶体晶格常数求出带隙范围，保证微腔的共振波长在带隙范围内；所述光子晶体微腔包括正方晶格光子晶体和波长选择性点缺陷微腔，二维光子晶体由高折射率介质圆柱在空气中按照正方晶格排列构成；所述波长选择性点缺陷微腔包括五个高折射率的介质圆柱，其中一个介质圆柱处于微腔中心，其他四个介质圆柱为其最近邻的四个介质圆柱，且该其他四个介质圆柱的半径及折射率相同；
Δn2为所述微腔的一个介质圆柱与空气折射率之差，Δn3为与所述微腔的其他四个介质圆柱与空气的折射率之差，当Δn3和Δn2的变化量相同时，由Δn3的变化引起的共振波长的改变要比Δn2的变化引起的共振波长要小；
(2)根据目标波长调节微腔的所述一个介质圆柱的半径r2，每次半径调节的变化量为0.001μm，即1nm，使共振波长λ最接近目标波长；
(3)微调所述微腔的所述其他四个介质圆柱的半径r3，每次半径调节的变化量也为0.001μm，如果能使共振波长更加接近目标波长，则改变r3；如果r3调节以后远离目标波长，则保持r3不变；
(4)微调所述微腔的所述一个介质圆柱与空气的折射率差Δn2，变化量为0.01，如果Δn2的变化能使共振波长更加接近目标波长，则改变Δn2；如果Δn2调节以后共振波长并没有更加接近目标波长，则Δn2的值保持不变；
(5)微调所述微腔的所述其他四个介质圆柱与空气的折射率差Δn3，Δn3的变化量也为0.01，选择出与目标波长最接近的共振波长对应的Δn3；
(6)根据目标波长确定光子晶体的结构参数，即所述微腔的一个介质圆柱的半径r2、所述微腔的其他四个介质圆柱的半径r3、所述微腔的一个介质圆柱与空气的折射率差Δn2、所述微腔的其他四个介质圆柱与空气的折射率差Δn3，利用上述结构参数的所述光子晶体微腔，得到精确的共振波长。
2.如权利要求1所述的一种光子晶体微腔共振波长的调节方法，其特征在于：所述步骤(1)中，根据光子晶高折射率体介质圆柱的半径r1和光子晶体高折射率介质圆柱与空气折射率之差Δn1，用平面波展开法求出带隙范围。
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| CN112747821B (zh) * | 2020-12-23 | 2022-05-17 | 南京大学 | 一种集成硅光子晶体微腔的太赫兹探测器 |
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| CN1996029A (zh) * | 2006-12-25 | 2007-07-11 | 欧阳征标 | THz信号高灵敏度探测器与摄像头 |
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| CN102262267A (zh) * | 2011-05-21 | 2011-11-30 | 浙江工业大学 | 基于光子晶体非对易单向波导的高效率通道下路滤波器 |
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2013
- 2013-09-24 CN CN201310449284.8A patent/CN103529513B/zh active Active
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