CN104932055A - 一种高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥，旨在提供一种高传输率、高回波损耗、便于集成且高效的光子晶体光桥。它包括一个具有禁带的光子晶体和光子晶体波导，还包括两个输入端和两个输出端,光子晶体波导的左方、上方和右方、下方分别为两个输入端和两个输出端；光子晶体波导由光子晶体垂直波导和光子晶体水平波导在其中部呈十字形交叉构成；光子晶体十字波导内设置波导缺陷介质柱；光子晶体波导的四个端口分别设置2个圆形缺陷介质柱,方形缺陷介质柱位于垂直波导与水平波导的交界处正中心；光子晶体波导的两个输入端分别输入两束光信号，在共用中心区域形成光路的十字交叉而进行互不干扰的传输，各自沿直线方向从不同端口输出。
Description
技术领域
本发明涉及微小光学光桥领域,尤其涉及一种基于光子晶体技术的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥。
背景技术
传统的光桥应用的是几何光学原理，因此体积都比较大，无法用于光路集成中。以光子晶体为基础可以制作微小的器件，包括光子晶体光桥。架设光桥的光子晶体导波光路一般通过对具有完全禁带的光子晶体引入线缺陷来构建。我们引入多重散射方法：在组成光桥的线缺陷中引入一个或多个点缺陷，将其作为散射子，以产生可与器件中传播的反射波相抵消的散射波，适当选择散射子的位置和尺寸，其产生的散射波将与器件中的反射波完全抵消，以此进行高传输率和高回波损耗。通过多重散射法可以设计出小尺寸高集成度的光子晶体光桥，即一种可以在波导结点位置允许不同方向的光信号交叉导通而不相互影响的器件。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构体积小、具有高传输率、高回波损耗，便于集成且高效的光子晶体十字光桥。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用下述技术方案：
本发明高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥包括一个具有禁带的光子晶体和光子晶体波导，还包括两个输入端和两个输出端；所述光子晶体波导的左方端口、上方端口和右方端口、下方端口分别为两个输入端和两个输出端；所述光子晶体波导由光子晶体垂直波导和光子晶体水平波导在其中部呈十字形交叉构成；所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为圆形缺陷介质柱和方形缺陷介质柱；在所述光子晶体波导的四个端口分别设置2个圆形缺陷介质柱,所述方形缺陷介质柱位于垂直波导与水平波导的交界处正中心；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入两束光信号，在共用中心区域形成光路的十字交叉而进行互不干扰的传输，各自沿直线方向从不同端口输出。
所述光子晶体为高折射率介质和低折射率介质构成的二维周期结构。
所述光子晶体波导呈十字形状。
所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括正方晶格二维光子晶体波导、蜂窝结构二维光子晶体波导和三角晶格二维光子晶体波导。
所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除1排、2排、3排或者4排介质柱后的结构。
所述光子晶体中的高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛或者折射率大于2的介质。
所述光子晶体中的高折射率背景介质材料为硅。
所述光子晶体中的低折射率介质为空气、真空、氟化镁、二氧化硅或者折射率小于1.5的介质。
所述光子晶体中的低折射背景介质为空气。
本发明光桥可以用于构筑多种光子晶体器件。它与现有技术相比，有如下积极效果。
(1)结构体积小，光传输效率高，适合大规模光路集成；
(2)本发明可以短程高效地实现光路交叉，在十字光桥交叉位置不产生串扰；
(3)通过设置点缺陷就可以实现光路交叉功能，便于集成而且高效；
(4)本器件与其它分光器件相比，具有高消光比、高传输效率以及极低的插入损耗。
附图说明
图1是本发明光子晶体波导十字光桥的结构示意图。
图中：光信号A输入端1光信号B输入端2光信号A输出端3光信号B输出端4背景硅介质柱5圆形缺陷介质柱6方形缺陷介质柱7
图2(a)是本发明光桥端口1反射功率的时间演化图；
图2(b)是本发明光桥端口2出射功率的时间演化图；
图2(c)是本发明光桥端口3反射功率的时间演化图；
图2(d)是本发明光桥端口4反射功率的时间演化图。
图3(a)是本发明光桥各通道在入射光频率为1.55(μm)下的端口1和端口2皆无输入光时的光场分布图；
图3(b)是本发明光桥各通道在入射光频率为1.55(μm)下的端口1有输入光，端口2无输入光时的光场分布图；
图3(c)是本发明光桥各通道在入射光频率为1.55(μm)下的端口1无输入光，端口2有输入光时的光场分布图；
图3(d)是本发明光桥各通道在入射光频率为1.55(μm)下的端口1和端口2皆有输入光时的光场分布图。
图4(a)是本发明光桥通道1仅有输入光时，通道1在禁带频率范围内的传输特性,回波损耗图；
图4(b)是本发明光桥通道1仅有输入光时，通道1至通道2在禁带频率范围内的传输特性,插入损耗图；
图4(c)是本发明光桥通道1仅有输入光时，在禁带频率范围内的传输特性,通道3相对于通道1之间的隔离度；
图4(d)是本发明光桥通道1仅有输入光时，在禁带频率范围内的传输特性,通道4相对于通道1之间的隔离度。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细阐述：
如图1中所示，本发明光子晶体波导十字光桥包括一个具有禁带的光子晶体和光子晶体波导，还包括四个端口，即两个输入端和两个输出端,光信号A输入端1(左方端口)、光信号B输入端2(上方端口)、光信号A输出端3(右方端口)、光信号B输出端4(下方端口)，光子晶体波导由光子晶体垂直波导和光子晶体水平波导在其中部呈十字形交叉构成，光子晶体波导呈十字形状，光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为圆形缺陷介质柱6和方形缺陷介质柱7，光子晶体波导的两个输入端分别输入两束光信号，在共用中心区域形成光路的十字交叉而不互扰，各自沿直线方向从不同端口输出。
本器件初始信号光从左方端口1和上方端口2入射，右方端口3输出由左方端口1入射的光波，下方端口4输出由上方端口2入射的光波，两束光波将实现互不干扰的传输。由于本发明光子晶体十字光桥具有90度旋转对称性，信号从端口1入射相对于信号从端口2入射为旋转90度，且本发明系统中未使用非线性材料，系统的响应符合线性叠加原理，因而当端口1和端口2均有信号时，端口1的信号还是从端口3输出，端口2的信号还是从端口4输出，即获得了高隔离度、高回波损耗、低插损或高传输率的光桥特性，如图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)，如图3(a)、3(b)、3(c)、3(d)，如图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)所示。背景硅介质柱5，其半径R为0.180000a。在每个器件端口上分别设置有2个圆形缺陷介质柱6，四个端口(两个输入端和两个输出端)共设置8个圆形缺陷介质柱6，其半径和位置中心分布情况分别为：光信号A输入端1处两个圆形点缺陷的直径R11和R12分别为0.499208a和0.268817a，位置分别为(-11.508348a,1.933980a)和(-15.641685a,1.918759a)；光信号B输入端2处两个圆形点缺陷的直径R21和R22分别为0.499208a和0.268817a，位置分别为(1.933980a,11.508348a)和(1.918759a,15.641685a)；光信号A输出端3处两个圆形点缺陷的直径R31和R32分别为0.537634a和0.326436a，位置分别为(9.782995a,0.002688a)和(9.599769a,1.920049a)；光信号B输出端4处两个圆形点缺陷的直径R41和R42分别为0.537634a和0.326436a，位置分别为(0.002688a,9.782995a)和(-1.920049a,-9.599769a)。方形缺陷介质柱7，边长为L＝1.038539a，其位置处于垂直波导与水平波导的交界处正中心，即整个器件结构的正中心。此时对应的通道1回波损耗为46.8585083825(dB)，通道2传输系数为99.9547％，通道3相对于通道1的隔离度为41.7763855291(dB)，通道4相对于通道1的隔离度为43.80018(dB)。
本发明基于散射补偿理论，通过在上述波导中引入正方形和圆形的点缺陷，通过双补偿圆形散射柱和单补偿正方形散射柱对器件结构内传输的光波实现相位和幅度的补偿。合理调节点缺陷的位置和尺寸，将这些不同形状的点缺陷适当应用到四个端口处和垂直波导与水平波导的交接处，就可以实现不同传播方向的光波在各自允许传播的波导中传播，而且在波导交叉位置不会产生干扰。
实施例1.
采取入射波长λ＝1.500000(μm)，a＝0.504000(μm)，此时的高折射率背景介质柱的直径为0.090720(μm)，光信号A输入端1处两个圆形点缺陷的直径R11和R12分别为0.251601(μm)和0.135483(μm)，位置分别为(-5.800270,0.974726)(μm)和(-7.883409,0.967054)(μm)；光信号B输入端2处两个圆形点缺陷的直径R21和R22分别为0.270967(μm)和0.164523(μm)，位置分别为(4.930629,0.001354)(μm)和(4.838283,0.967705)(μm)；光信号A输出端3处两个圆形点缺陷的直径R31和R32分别为0.251601(μm)和0.135483(μm)，位置分别为(0.974726,5.800270)(μm)和(0.967054,7.883409)(μm)；光信号B输出端4处两个圆形点缺陷的直径R41和R42分别为0.270967(μm)和0.164523(μm)，位置分别为(0.001354,4.930629)(μm)和(0.967705,4.838283)(μm)。方形缺陷介质柱7，边长为L＝0.523423(μm)，其位置处于垂直波导与水平波导的交界处正中心，即整个器件结构的正中心。此时对应的通道1回波损耗为46.8585083825(dB)，通道2传输系数为99.9547％，通道3相对于通道1的隔离度为41.7763855291(dB)，通道4相对于通道1的隔离度为43.80018(dB)。
实施例2.
采取入射波长λ＝1.550000(μm)，a＝0.520800(μm)，此时的高折射率背景介质柱的直径为0.093744(μm)，光信号A输入端1处两个圆形点缺陷6的直径R11和R12分别为0.259988(μm)和0.140000(μm)，位置分别为(-5.993548,1.007217)(μm)和(-8.146190,0.999290)(μm)；光信号B输入端2处两个圆形点缺陷的直径R21和R22分别为0.280000(μm)和0.170008(μm)，位置分别为(5.094984,0.001400)(μm)和(4.999560,0.999962)(μm)；光信号A输出端3处两个圆形点缺陷的直径R31和R32分别为0.259988(μm)和0.140000(μm)，位置分别为(1.007217,5.993548)(μm)和(0.999290,8.146190)(μm)；光信号B输出端4处两个圆形点缺陷的直径R41和R42分别为0.280000(μm)和0.170008(μm)，位置分别为(0.001400,5.094984)(μm)和(0.999962,4.999560)(μm)。方形缺陷介质柱7，边长为L＝0.540871(μm)，其位置处于垂直波导与水平波导的交界处正中心，即整个器件结构的正中心。此时对应的通道1回波损耗为46.8585083825(dB)，通道2传输系数为99.9547％，通道3相对于通道1的隔离度为41.7763855291(dB)，通道4相对于通道1的隔离度为43.80018(dB)。
实施例3.
采取入射波长λ＝1.600000(μm)，a＝0.537600(μm)，此时的高折射率背景介质柱的直径为0.096768(μm)，光信号A输入端1处两个圆形点缺陷的直径R11和R12分别为0.268374(μm)和0.144516(μm)，位置分别为(-6.186888,1.039707)(μm)和(-8.408970,1.031525)(μm)；光信号B输入端2处两个圆形点缺陷的直径R21和R22分别为0.289032(μm)和0.175492(μm)，位置分别为(5.259338,0.001445)(μm)和(5.160836,1.032218)(μm)；光信号A输出端3处两个圆形点缺陷的直径R31和R32分别为0.268374(μm)和0.144516(μm)，位置分别为(1.039707,6.186888)(μm)和(1.031525,8.408970)(μm)；光信号B输出端4处两个圆形点缺陷的直径R41和R42分别为0.289032(μm)和0.175492(μm)，位置分别为(0.001445,5.259338)(μm)和(1.032218,5.160836)(μm)。方形缺陷介质柱7，边长为L＝0.558318(μm)，其位置处于垂直波导与水平波导的交界处正中心，即整个器件结构的正中心。此时对应的通道1回波损耗为46.8585083825(dB)，通道2传输系数为99.9547％，通道3相对于通道1的隔离度为41.7763855291(dB)，通道4相对于通道1的隔离度为43.80018(dB)。
以上所述本发明在具体实施方式及应用范围均有改进之处，不应当理解为对本发明限制。
Claims (9)
1.一种高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：它包括一个具有禁带的光子晶体和光子晶体波导，还包括两个输入端和两个输出端；所述光子晶体波导的左方端口、上方端口和右方端口、下方端口分别为两个输入端和两个输出端；所述光子晶体波导由光子晶体垂直波导和光子晶体水平波导在其中部呈十字形交叉构成；所述光子晶体十字波导内设置有波导缺陷介质柱，该波导缺陷介质柱为圆形缺陷介质柱和方形缺陷介质柱；在所述光子晶体波导的四个端口分别设置2个圆形缺陷介质柱,所述方形缺陷介质柱位于垂直波导与水平波导的交界处正中心；所述光子晶体波导的两个输入端分别输入两束光信号,在共用中心区域形成光路的十字交叉而进行互不干扰的传输，各自沿直线方向从不同端口输出。
2.按照权利要求1所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体为高折射率介质和低折射率介质构成的二维周期结构。
3.按照权利要求1所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体波导呈十字形状。
4.按照权利要求1所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体波导为二维光子晶体波导，包括正方晶格二维光子晶体波导、蜂窝结构二维光子晶体波导和三角晶格二维光子晶体波导。
5.按照权利要求1所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体波导为在所述的光子晶体中移除1排、2排、3排或者4排介质柱后的结构。
6.按照权利要求2所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体中的高折射率介质为硅、砷化镓、二氧化钛或者折射率大于2的介质。
7.按照权利要求6所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体中的高折射率背景介质材料为硅。
8.按照权利要求2所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体中的低折射率介质为空气、真空、氟化镁、二氧化硅或者折射率小于1.5的介质。
9.按照权利要求8所述的高传输率高回波损耗高隔离度光子晶体光桥,其特征在于：所述光子晶体中的低折射背景介质为空气。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180605 Termination date: 20220206 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |