CN103901541B

CN103901541B - 信号分插复用模块和信号分插复用器

Info

Publication number: CN103901541B
Application number: CN201210571981.6A
Authority: CN
Inventors: 陶科玉; 欧阳征标; 郑耀贤
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2032-12-25
Also published as: CN103901541A

Abstract

本发明涉及一种信号分插复用模块和信号分插复用器，所述信号分插复用模块，包括第一光子晶体、第二光子晶体和第三光子晶体；第一光子晶体、第二光子晶体为磁光材料柱所构成的光子晶体，第三光子晶体为非磁光材料柱所构成的光子晶体；第三光子晶体分别与第一光子晶体、第二光子晶体间形成具有单向导波特性的公共波导、本地波导，第三光子晶体中包含一个由非磁光材料柱所构成的单模缺陷腔；还包括用于产生磁场的磁场发生器。实施本发明的信号分插复用模块和信号插复用器，由于公共波导和本地波导皆为单向波导，当其通过单模缺陷腔进行耦合时，上、下载效率高；通过改变单模缺陷腔的具体尺寸，对不同的信号进行分插复用，设计简单，拓展性好。

Description

信号分插复用模块和信号分插复用器

技术领域

本发明涉及光子晶体领域，更具体地说，涉及一种信号分插复用模块和信号分插复用器。

背景技术

分插复用技术是光网络通信的一项核心技术。光子晶体结构由于其对光的束缚、调节能力强，其制作的相关器件结构紧凑、设计灵活，可达波长量级，符合器件高度集成的发展需求，因而使用光子晶体制作分插复用器件是一个重要的研发方向。

当前采用光子晶体设计的平面分插复用滤波器，按耦合器的种类分主要分为两种，一种是光子晶体微腔，另一种是微环结构。首先提出光子晶体微腔结构的是美国麻省理工的小组，他们提出两种结构：单腔耦合器或双腔耦合器。其中对于单腔耦合器，要想获得良好的滤波性能，必须同时激发单腔的两个不同对称性的简并模，这对于实际材料而言设计复杂、很难实现；相对容易的是双腔耦合器设计，以及后来研究人员引入反射机构（如选择性的反射腔）的方法。不过由于其滤波特性强烈地受到双腔间的相位调制，对设计及制造的要求很高，因此近年来更多的研究采用的是微环结构的耦合器。虽然该类结构理论上可以达到很高的滤波效率，但微环结构也有自身无法消除的辐射损耗和其他限制。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述光子晶体分插复用器件设计复杂、加工精度要求高，而实际器件的滤波效率不太高的问题，提供一种信号分插复用器和信号分插复用器。

本发明解决上述问题的方案是，提供一种信号分插复用模块，包括第一光子晶体、第二光子晶体和第三光子晶体；第一光子晶体、第二光子晶体为磁光材料柱所构成的光子晶体，第三光子晶体为非磁光材料柱所构成的光子晶体；第三光子晶体分别与第一光子晶体、第二光子晶体间形成具有单向导波性能的公共波导、本地波导，公共波导、本地波导中信号的传播方向可分别由加在第一光子晶体、第二光子晶体上的磁场方向进行控制。第三光子晶体中包含一个由非磁光材料柱所构成的单模缺陷腔，用于进行信号过滤；还包括用于产生磁场的磁场发生器，磁场发生器产生施加在第一光子晶体和第二光子晶体上的磁场。

本发明的信号分插复用模块，第一光子晶体和第二光子晶体为正方形晶格点阵结构，第三光子晶体为与第一光子晶体、第二光子晶体的正方形晶格点阵成45°夹角的正方形晶格点阵结构。

本发明的信号分插复用模块中，第一光子晶体、第二光子晶体使用的材料为磁光材料,包括钇铁石榴石或其它磁光介质，第三光子晶体所使用的材料为非磁光材料,包括铝或其它高折射率材料。

本发明的信号分插复用模块中，单模缺陷腔所使用的材料为非磁光材料,包括铝或其它高折射率材料。

本发明的信号分插复用模块中，公共波导为直线型波导。本地波导为折线型波导。

本发明还提供一种多通道信号分插复用器，包括多个信号分插复用模块，多个信号分插复用模块的第一光子晶体、第二光子晶体、第三光子晶体相同，单模缺陷腔的半径彼此相异，信号分插复用模块的公共波导拼接成一个波导。

实施本发明的信号分插复用模块和信号分插复用器具有以下的有益效果：首先，由于公共波导和本地波导皆为单向波导，当其通过单模缺陷腔进行耦合时，运用耦合模理论（coupled mode theory）可证明上、下载效率可达100%。其次，由于通过改变单模缺陷腔的具体尺寸，可以对不同的信号进行分插复用，并且各相邻模块间无相互干扰，当需要同时进行多种频率的信号操作时，可以直接将模块进行拼合处理，设计十分简单。最后，同一模块中，通过控制第二光子晶体上的磁场方向，可以选择不同的输出端口。

附图说明

以下结合附图对本发明进行说明，其中：

图1为本发明信号分插复用模块的原理结构图；

图2为本发明第一实施例的结构示意图；

图3为不同半径的单模缺陷腔对应的工作频率；

图4为单模缺陷腔中微柱半径为1毫米时的透射特性；

图5为公共波导耦合至本地波导的效果示意图；

图6为另一则公共波导耦合至本地波导的效果示意图；

图7为本地波导耦合至公共波导的效果示意图；

图8为另一则本地波导耦合至公共波导的效果示意图；

图9为本发明第二实施例的结构示意图；

图10为本发明第二实施例的透射特性；

图11a为第二实施例4.66316GHz信号从公共波导耦合至本地波导的传输效果图；

图11b为第二实施例另一则4.66316GHz信号从公共波导耦合至本地波导的传输效果图；

图11c为第二实施例4.6473GHZ信号从公共波导耦合至本地波导的传输效果图；

图11d为第二实施例另一则4.6473GHZ信号从公共波导耦合至本地波导的传输效果图；

图12a为第二实施例4.66316GHz信号从本地波导耦合至公共波导的传输效果图；

图12b为第二实施例另一则4.66316GHz信号从本地波导耦合至公共波导的传输效果图；

图12c为第二实施例4.6473GHZ信号从本地波导耦合至公共波导的传输效果图；

图12d为第二实施例另一则4.6473GHZ信号从本地波导耦合至公共波导的传输效果图；

图13为多个信号分插复用模块拼接成信号分插复用器的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示为本发明信号分插复用模块的原理结构图，在两个由磁光材料做成的第一光子晶体100和第二光子晶体200之间引入非磁光材料的第三光子晶体300，第一光子晶体100和第二光子晶体200为磁光材料柱所构成的光子晶体；第三光子晶体300分别与第一光子晶体100、第二光子晶体200间形成具有单向导波性能的公共波导310、本地波导320，第三光子晶体300中包含一个由非磁光材料柱所构成的单模缺陷腔301，通过改变该非磁光材料柱的半径，可以对不同频率的信号进行滤波；信号分插复用模块还包括磁场发生器，用于产生施加在第一光子晶体100、第二光子晶体200上平行于Z方向的控制磁场，控制磁场使信号在公共波导310、本地波导320单向传播。由于无需用磁场控制单模缺陷腔，控制的难度大大降低。

如图2所示为本发明信号分插复用模块的第一实施例结构示意图，本实施例中，信号分插复用模块包括第一光子晶体100、第二光子晶体200和设置在两者之间的第三光子晶体300，第三光子晶体300与第一光子晶体100、第二光子晶体200之间形成具有单向导波性能的公共波导310和本地波导320。第一光子晶体100、第二光子晶体200、第三光子晶体300均为二维光子晶体。第二光子晶体200与第三光子晶体300间形成的本地波导320，形状为半“回”字形结构，即直线型波导通过两次弯折90°，波导端口位于同侧的折线形波导。这样，通过选择加在第二光子晶体200上的磁场方向，就能够选择耦合到本地波导320的电磁波从321或322端口出射。由于本发明所采用的单向传输模对拐弯等缺陷不敏感，在本实施例中，波导使用的是半“回”字形的结构，实际使用中根据需要，此结构亦可优化调整。

在本实施例中，第一光子晶体100和第二光子晶体200为钇铁石榴石（Yttrium Iron Garnet，YIG）柱所构成的光子晶体，为正方形晶格点阵结构，半径为a₁=4.0毫米，晶格常数为r₁=36.8毫米，介电常数为15ε₀（ε₀为真空介电常数）。第三光子晶体300为铝（Al）柱子所构成的光子晶体，亦为正方形晶格点阵结构，与第一光子晶体、第二光子晶体的正方形晶格点阵成45°夹角。晶格常数r₃=26.0毫米的，半径为a₂=3.9毫米，介电常数取为10ε₀。在第三光子晶体300中，距离公共波导310和本地波导320相同长度的位置上，设置由铝柱构成的圆柱，此铝柱半径为1毫米，小于第三光子晶体中的铝柱，因此形成一个单模缺陷腔301。

以上仅为本实施例的具体尺寸，在针对不同的传输信号时，上述的a₁，a₂，a₃，r₁，r₃等具体的数值可适应性改变。

在本实施例中，传播的信号主要为4GHz至5GHz的频率信号，a₁可适当选择3.5～4.5毫米；r₁可适当选择35.0~40.0毫米；r₃可对应于r₁选择24.7~28.3毫米；单模缺陷腔301的半径可适当选择1.5～2.5毫米。

本实施例的信号分插复用模块还包括磁场发生器，磁场发生器产生的磁场作用在第一光子晶体100、第二光子晶体200上，磁场的方向为+Z或-Z（垂直纸面向外或向里），通过选择合适的磁场方向可以令公共波导310和本地波导320中传播的信号沿单向传播。如下表所示：

表1

表1的对应关系适用于本发明申请中的所有实施例，能够使得公共波导和本地波导形成单向波导，对于其他磁光材料，需要重新检定具体的信号方向。

通过能带计算和仿真计算可以得到单模缺陷腔301的共振频率与其中铝柱的尺寸关系，如图3所示。其中，圆点为透射谱计算的数据，方点为能带计算的数据。由图3可知，两套结果十分接近。实际应用中单模缺陷腔301的工作特性可由透射实验直接测得。依据该特性，由需要滤波的频率可得到对应所需的单模缺陷腔301的大小。

选择单模缺陷腔301的尺寸为1mm，在公共波导第一端311上放置信号源，信号源产生从4.65至4.68GHz频率的信号，在公共波导第二端312处探测信号的透射特性，得到如图4所示的透射特性曲线，从该曲线可以明显看出，对于信号频率为4.66316GHz的信号，单模缺陷腔301将其耦合至本地波导。

当施加不同方向的磁场时，能够得到不同的信号传输效果，依据前述中表1的磁场选择方案，可以得到如图5至图8的传输效果图，其中图5、6为信号“下载”的示意图：信号从公共波导310耦合至本地波导320。当第二光子晶体200上施加的磁场方向为+Z时，信号从本地波导端口322输出；当第二光子晶体200上施加的磁场方向为-Z时，信号从本地波导端口321输出。图7、8为信号的“上传”示意图：当信号由端口321输入时，可调整第二光子晶体200上的磁场方向为+Z，这样信号经本地波导320耦合至公共波导310，最后由312端口输出；当信号由端口322输入时，可调整第二光子晶体200上的磁场方向为-Z，这样信号经本地波导320耦合至公共波导310，最后由312端口输出。磁场方向和输入、输出端口的关系参照表1。

以上给出了单个的信号分插复用模块对于信号的“上传”、“下载”的解析，由于对信号的“上传”、“下载”是与单模缺陷腔的尺寸密切相关的，一旦信号分插复用模块构建完，该模块的工作频率就会固定，而实际使用时，当需要对不同频率的信号进行选择操作，可将多个具有不同尺寸的单模缺陷腔的信号分插复用模块进行拼合。

如图9所示，两个信号分插复用模块的第一光子晶体100、第二光子晶体200、第三光子晶体300相同，单模缺陷腔（301a、301b）由不同半径的铝柱构成，信号分插复用模块的公共波导310拼接成一个波导。每个本地波导有两个端口可供选择。在图9的结构图中，两个信号分插复用模块的单模缺陷腔的尺寸分别为：标号为301a的单模缺陷腔的半径1mm，标号301b的单模缺陷腔的半径1.1mm。

图10给出了由两个模块拼合组成的双通道信号分插复用器的透射特性，其中由空心圆圈连成的曲线表示公共波导输出端口312的信号，实心圆及实线分别表示耦合到本地波导320a和320b中的信号。从该图可以看出，公共波导的两个频率的信号，4.66316GHz和4.6473GHz，分别被完全耦合至本地波导320a和320b中。

当公共波导310传输的信号为4.66316GHz频率信号时，其传送信号的传输效果如图11a和11b所示。两者的不同仅在于施加在第一模块第二光子晶体200的磁场方向为-z时，输出端口为321a；在第一模块第二光子晶体200的磁场方向为+z时，输出端口为322a。

当公共波导310传输的信号为4.6473GHz频率信号的信号时，其传送信号的传输效果如图11c和11d所示。当在第二模块第二晶体200上施加磁场方向为-z时，输出端口为321b；当在第二模块第二光子晶体200的磁场方向为+z时，输出端口为322b。

结合图11a~图11d，当公共波导310传输的频率为4.66316GHz和4.6473GHz的信号时，信号分插复用器能够根据单模缺陷腔301a、301b的结构特征和施加在第二光子晶体200上的磁场方向自动筛选出对应的本地波导端口耦合输出。

当使用图9所示的信号分插复用器进行信号的上传时，其对应的传输效果如图12a至图12d所示。根据频率的不同，选择对应频率的模块，当把本地波导321或322作为输入端口时，根据表1选择第二光子晶体200的磁场方向，即可实现将信号传送到公共波导中。图12a和图12b是4.66316GHz信号上传到公共波导的传输效果图；图12c和图12d为4.6473GHz信号上传到公共波导的传输效果图。

以上只是给出了对两个频率信号的上传下载的处理，在实际使用的过程中，会同时对多个频率信号进行处理，只要将对应的信号分插复用模块进行拼合并控制磁场方向，如图13所示，即可实现多个频率的信号的复用/解复用，以及输入、输出端口的选择。在图13中，n个具有不同尺寸单模缺陷腔（301a、301b……301n）的信号分插复用模块拼合成一个信号分插复用器，共用一个公共波导310，并具有n个本地波导（320a、320b……320n）。当上传或下载信号时，无需对单模缺陷腔（301a、301b……301n）进行控制，依靠单模缺陷腔自身的尺寸，即可的不同频率的信号进行处理。

在以上的所有实施例中，第一光子晶体100、第二光子晶体200、第三光子晶体300使用的是正方晶格结构，在实际使用中，也可以改用三角形晶格结构或其他的晶格结构，只要形成的公共波导310、本地320波导能够单向传输电磁波信号，单模缺陷腔301能够耦合电磁波即可。

以上仅为本发明具体实施方式，不能以此来限定本发明的范围，本技术领域内的一般技术人员根据本发明所作的均等变化，以及本领域内技术人员熟知的改变，都应仍属本发明涵盖的范围。

Claims

1.一种信号分插复用模块，其特征在于，包括第一光子晶体、第二光子晶体和第三光子晶体；第一光子晶体、第二光子晶体为磁光材料柱所构成的光子晶体，第三光子晶体为非磁光材料柱所构成的光子晶体；第三光子晶体设置在第一光子晶体、第二光子晶体之间，分别与第一光子晶体、第二光子晶体在交界面处形成具有单向导波特性的公共波导、本地波导，第三光子晶体中包含一个由非磁光材料柱所构成的单模缺陷腔，用于进行信号滤波；还包括用于产生磁场的磁场发生器，磁场发生器产生的磁场施加在第一光子晶体和第二光子晶体上；

所述公共波导为直线型波导，所述第二光子晶体与所述第三光子晶体间形成的本地波导为折线型波导，形状为半“回”字形结构；

进行信号下载时，信号从所述公共波导耦合至所述本地波导，当所述第二光子晶体上施加的磁场方向为+Z时，信号从所述本地波导第二端口输出；当所述第二光子晶体上施加的磁场方向为-Z时，信号从所述本地波导第一端口输出；其中，+Z为垂直所述公共波导与所述本地波导所决定平面向外方向，-Z为垂直所述公共波导与所述本地波导所决定平面向里方向；

进行信号上传时，当信号由所述本地波导第一端口输入时，调整所述第二光子晶体上的磁场方向为+Z，信号经所述本地波导耦合至所述公共波导，由所述公共波导第二端口输出；当信号由所述本地波导第二端口输入时，调整所述第二光子晶体上的磁场方向为-Z，信号经所述本地波导耦合至所述公共波导，由所述公共波导第二端口输出；

由需要滤波的频率决定所述单模缺陷腔半径尺寸。

2.根据权利要求1所述的信号分插复用模块，其特征在于，第一光子晶体和第二光子晶体为正方形晶格点阵结构，第三光子晶体为与第一光子晶体、第二光子晶体的正方形晶格点阵成45°夹角的正方形晶格点阵结构。

3.根据权利要求1或2所述的信号分插复用模块，其特征在于，所述的单模缺陷腔的材料为铝。

4.根据权利要求1或2所述的信号分插复用模块，其特征在于，所述的第一光子晶体、第二光子晶体使用的磁光材料为钇铁石榴石。

5.根据权利要求1或2所述的信号分插复用模块，其特征在于，所述的第三光子晶体中的介质柱为铝。

6.一种多通道信号分插复用器，其特征在于，包括多个如权利要求1-5中任一所述的信号分插复用模块，各个信号分插复用模块的第一光子晶体、第二光子晶体、第三光子晶体彼此相同，单模缺陷腔的半径彼此相异，各信号分插复用模块的公共波导拼接成一个波导。